BRASIL
Abr a Jun 2019 The International Journal Of Thermal Processing
Jul a Set 2019
Perfil de Temperatura Através do Processo 38
Avaliação da Qualidade Metalúrgica de Engrenagens Taxa de Estanqueidade em Forno a Vácuo
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Os Benefícios da Sinterização a Vácuo (Parte 2)
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Especial: Thermprocess 14 Retrospectiva: VI Seminário Manutenção e Segurança de Fornos 16 A maior e mais conceituada revista da indústria térmica • www.sfeditora.com.br
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Na Capa: Foto de sistema de perfil de temperatura através do processo entrando em forno. Confira na página 38.
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JUL A SET 2019 - NÚMERO 44
ARTIGOS 34
Caracterização & Teste de Materiais
Avaliação da Qualidade Metalúrgica de Engrenagens Tratadas Termicamente Kelsey Torboli and Henry Udomon – Struers, Inc.; Westlake, Ohio, EUA
As engrenagens desempenham as funções críticas de transmissão de potência ou movimento em montagens mecânicas. Para executar essas funções de maneira eficaz, as engrenagens precisam ter certas propriedades que lhes permitam atender aos requisitos de qualidade especificados.
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Controle de Processo & Instrumentação
Perfil de Temperatura Através do Processo para Eficiência de Tratamento Térmico Steve Offley - PhoenixTM Ltd; Reino Unido
Para qualquer pessoa envolvida em aquecimento industrial, uma necessidade crítica de qualquer processo de tratamento térmico é a capacidade de medir e controlar a temperatura do processo e do produto. O controle de temperatura da aplicação de tratamento térmico é crítico para as características metalúrgicas e físicas do produto final e, portanto, sua capacidade de desempenhar sua função pretendida.
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Tratamento Térmico
Projeção de uma Taxa de Estanqueidade em Forno a Vácuo com Base no Nível Inicial de Pressão de Bombeamento e Vazamento Re`al J. Fradette – Solar Manufacturing Inc.; Souderton, Pa. William R. Jones – Solar Atmospheres Inc.; Hermitage, Pa., EUA
Os fornos a vácuo incorporam vários tipos de bombas de vácuo para atingir um certo nível de vácuo na produção de peças livres de contaminação. O projeto e o volume geral do forno determinam o rendimento necessário do sistema de bombeamento e o vácuo final esperado.
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Vácuo & Tratamento de Superfície
Os Benefícios da Sinterização a Vácuo (parte 2) Andrea Alborghetti – TAV Vacuum Furnaces SPA; Caravaggio, Itália
Muitos fatores entram em jogo durante o processo de sinterização a vácuo, desde o tamanho e os materiais usados na zona quente do forno até os processos de debinding e sinterização serem combinados em uma única unidade. Mas há uma coisa que todas as operações de sinterização precisam considerar: como remover eficientemente os agentes de ligação dos materiais. 4 JUL A SET 2019
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14 DEPARTAMENTOS 06 Índice de Anunciantes 12 Indicadores Econômicos 14 Novidades 16 Seminário de Manutenção 18 Eventos
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CONTEÚDO
JUL A SET 2019 - NÚMERO 44
COLUNAS 08 Editorial EUA
Uma Estação de Mudanças
Nossa edição de junho é dedicada à economia de energia. Todos nós podemos obter um benefício final economizando energia em nossas operações.
Valorosos Leitores da Industrial Heating
Em primeiro lugar gostaria de dizer aos nossos leitores, anunciantes, colaboradores e parceiros: OBRIGADO! Como novo Group Publisher do Thermal Processing Group na BNP Media, estou ansioso para continuar desenvolvendo nossas marcas de longa data.
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Editorial Brasil Heat Treat Show
Em meados de Outubro, mais precisamente nos dias 15 a 17, será realizada na cidade de Detroit, nos Estados Unidos, a Heat Treat Show 2019. Um misto de feira e centro de conferencias, o evento é promovido a cada dois anos pela ASM Heat Treating Society.
20 Educação & Pesquisa
EESC-USP Tupã
A Fórmula SAE é uma competição estudantil de automobilismo organizada anualmente pela Society of Automotive Engineers. Nela, equipes apresentam seus projetos e testam o desempenho dos seus carros em diferentes provas dinâmicas.
22 Combustão
Perigos no Monóxido de Carbono
O monóxido de carbono é um gás comumente utilizado em atmosferas de tratamento termoquímico por suas excelentes características como gás redutor. Porém é um gás que inspira muitos cuidados pois pode causar fatalidades.
24 Siderurgia Sucesso
Manganês, Vítima de seu Próprio
O uso de manganês como elemento de liga no aço já se consagrou há muitas décadas. Nos aços estruturais ele contribui para o aumento da resistência mecânica através do refino de grão decorrente da redução da temperatura de transformação da austenita para ferrita.
26 Simulação Computacional Composição Química do Material
Variação na
Por quais razões obtemos propriedades mecânicas distintas após o mesmo tratamento térmico realizado mais de uma vez, como por exemplo no caso da têmpera e do revenimento?
28 Pesquisa e Desenvolvimento
A Complexidade dos Revestimentos Protetivos em Aços Planos Caros leitores, gostaria de compartilhar contigo um campo de aplicações de aços planos que estão relacionados a revestimentos protetivos, como os usados para resistir à corrosão, mas que afeta diretamente os processos de estampagem, soldagem e pintura do veículo.
30 Doutor em Tratamento Térmico
O
Tratamento Térmico do Inconel® 718
O tratamento térmico e o desempenho de superligas de alta temperatura, e o Inconel® 718 em particular, sempre foram de interesse do Doutor em Tratamento Térmico. Com maior disponibilidade e maior demanda por esta liga, entender seu tratamento térmico será de grande valia. Industrial Heating
JUL A SET 2019 7
EDITORIAL EUA
Uma Estação de Mudanças
O
REED MILLER Associate Publisher/Editor +1 412-306-4360 reed@industrialheating.com
verão está quase chegando, e as mudanças estão no ar. Na Industrial Heating, temos um novo group publisher, Erik Klingerman. Erik sucedeu Darrell Dal Pozzo, que aceitou outra posição no BNP Media. Veja a nota pessoal de Erik abaixo. Nossa edição de junho é dedicada à economia de energia. Todos nós podemos obter um benefício final economizando energia em nossas operações. Vamos dar uma olhada no que há dentro deste problema. Pesquisamos o mercado de gás natural para ver como estão as coisas após a estação de aquecimento no inverno. Este artigo analisa os fatores de oferta, armazenamento, produção, importações, fatores de demanda, clima, crescimento econômico, exportações, combustíveis concorrentes e o futuro. Outro artigo analisa a eficiência do tratamento térmico pelo uso de perfis de temperatura durante o processo. Alguns desafios de tratamentos térmicos específicos
são abordados pelo uso desse tipo de criação de perfil. Um terceiro artigo discute trocadores de calor - grafite versus metal. Os trocadores de calor suportam temperaturas de processamento de até 1480°C. Um dos processos discutidos para esses trocadores de calor é a decapagem em processo de aço carbono e aço inoxidável. A eficiência do forno é um resultado benéfico de ter uma curva de vazamento média projetada para o seu forno a vácuo. Um de nossos artigos este mês nos orienta no processo de projetar taxas de vazamento com base em condições específicas de operação do forno. Bem, isso o mantém atualizado com as novidades da Industrial Heating e com a edição de junho. Certifique-se de ter Industrial Heating com você onde quer que suas aventuras de verão o levem Boa Leitura!
Nota do editor Brasil: o texto acima foi publicado na edição americana da IH de Junho 2019.
Valorosos Leitores da Industrial Heating
E
ERIK KLINGERMAN Group Publisher, Thermal Processing Group 440-292-7580 klingermane@bnpmedia.com
8 JUL A SET 2019
m primeiro lugar gostaria de dizer aos nossos leitores, anunciantes, colaboradores e parceiros: OBRIGADO! Como novo Group Publisher do Thermal Processing Group na BNP Media, estou ansioso para continuar desenvolvendo nossas marcas de longa data. Desde 1926, a BNP (Business News Publishing) é líder no fornecimento de conteúdo relevante para business-to-business e notícias atualizadas. Nossa missão não mudou desde o início: a BNP Media está aqui para ajudar as pessoas a terem sucesso nos negócios fornecendo informações superiores. Fornecer aos nossos leitores as últimas tendências e tecnologias é importante para nós. Nossa
Industrial Heating
equipe editorial está na vanguarda de todos os aspectos do processamento térmico e continuaremos com essa tendência. Para nossos leitores, a Industrial Heating continuará fornecendo a mistura de artigos práticos, além de histórias de casos e notícias sobre o setor e produtos - nos formatos mais importantes para você. Leia Industrial Heating através da revista impressa, nosso formato de edição digital ou em nosso site. Além disso, continuaremos a fornecer produtos digitais exclusivos, como webinars informativos ao vivo, enewsletters, vídeos e podcasts. Procure conteúdo relevante e atraente apresentado de maneiras novas e interessantes. Para nossos anunciantes, nosso objetivo é
EDITORIAL EUA fornecer as soluções digitais e de impressão mais atuais para ajudá-lo a alcançar novos mercados e clientes. Está no topo da nossa lista aqui na BNP. Todos os dias nosso cenário muda e você pode contar conosco para estar na linha de frente como seu parceiro e consultor, ajudando-o com seus objetivos de marketing. Ajudaremos você a atingir seus objetivos, elevar sua marca e gerar mais negócios para sua empresa através dos meios mais inovadores disponíveis. Seja branding, marketing de conteúdo, MQLs (Marketing Qualified Leads) ou SQLs (Sales Qualified Leads), você pode contar com nossos canais para fornecer resultados para você. Para quem atualmente anuncia, OBRIGADO! Para aqueles que estão pensando sobre isso, entre em contato conosco para que possamos ajudá-lo sobre como expandir seus negócios através da BNP Media. Atenciosamente,
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Erik Klingerman Group Publisher, Thermal Processing Group.
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está promovendo na América do sul o ELTA 5.5 , ELTA 6.0 e o 2DELTA da empresa Russa NSG (New Solutions Group) de São Petersburgo (www.nsgsoft.com). O software ELTA (ELectroThermalAnalysis) permite o modelamento de processos de aquecimento por indução para as geometrias mais utilizadas através de uma interface bastante intuitiva. Tem aplicação na indústria e, na área de ensino, permite simulações que praticamente o equipara a um laboratório virtual para o ensino da disciplina de tratamento térmico. O ELTA 6.0 tem recursos de 2D para a simulação eletromagnética e térmica de geometrias retangulares tais como quadrados, placas e chapas. Quando o processo é apenas o modelamento do aquecimento para conformação a quente basta não utilizar o módulo de resfriamento.
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Sistemas típicos de indução simulados com ELTA 5.5
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EDITORIAL BRASIL
Heat Treat Show
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10 JUL A SET 2019
m meados de Outubro, mais precisamente nos dias 15 a 17, será realizada na cidade de Detroit, nos Estados Unidos, a Heat Treat Show 2019. Um misto de feira e centro de conferencias, o evento é promovido a cada dois anos pela ASM Heat Treating Society. Normalmente, como vai acontecer este ano, a feira é realizada em conjunto com a Gear Expo, agora rebatizada de Motion + Power Technologies, evento dedicado ao mundo das engrenagens, agora complementado com a indústria de transmissão mecânica, daí a troca de nome. Como aumentamos nosso portfólio com as revistas Engrenagens (e outra dedicada à Estampagem) faz sentido visitar estas feiras para conhecer o que há de novo e o que estão expondo os fornecedores. Além de participar das conferencias, sem dúvida. Estarei participando das duas exposições, que serão realizadas no mesmo recinto, e posteriormente traremos na próxima edição da IH (e da Engrenagens, sem dúvida) um resumo do que foi apresentado lá. Esta edição traz quatro artigos dedicados ao universo do Tratamento Térmico: Perfil de Temperatura Através do Processo para Eficiência de Tratamento Térmico, um relato do funcionamento da medição de temperatura através da passagem de um coletor de dados por dentro do forno, acompanhando a carga. Escrito pela empresa PhoenixTM com a tradução gentilmente revisada por Ivan Siqueira, da PhoenixTM Brasil Ltda. Outro artigo, Projeção de uma Taxa de Estanqueidade em Forno a Vácuo com Base no Nível Inicial de Pressão de Bombeamento e Vazamento, nos traz uma abordagem sobre a medição e o controle de estanqueidade de um forno de tratamento térmico a vácuo.
Industrial Heating
Escrito pelo pessoal da fabricante de fornos Solar Manufacturing dos Estados Unidos, ele traz a informação completa, mencionando inclusive a Classificação da AMS 2769B para diferentes materiais e as taxas aceitáveis de vazamento em fornos a vácuo. O terceiro artigo trata de metalografia. Escrito pelo pessoal da empresa fabricante de equipamentos para metalografia Struers dos Estados Unidos, Avaliação da Qualidade Metalúrgica de Engrenagens Tratadas Termicamente traz um panorama do que engenheiros de projeto geralmente designam "qualidade da engrenagem". Com bastante ilustrações, marca registrada da IH, o artigo faz um acompanhamento completo da análise metalográfica de uma engrenagem. E publicamos nesta edição a segunda parte do artigo Os Benefícios da Sinterização a Vácuo. A primeira parte do artigo foi publicada na edição Jan a Mar deste ano. Escrito por Andrea Alborghetti, Gerente Técnica da empresa italiana fabricante de fornos a vácuo TAV Vacuum Furnaces, ele aborda os múltiplos fatores que entram em jogo quando se processa a sinterização a vácuo. Aproveito para comentar um detalhe sobre eventos realizados pelo Grupo Aprenda. Complementando a programação anual dos eventos dedicados ao tratamento térmico, os Seminários de Processos, o Seminário de Manutenção e Segurança de Fornos e o Seminário de Introdução ao TT, tivemos a sugestão da fabricante de Fornos Grefortec para realizar no sul do país o I Seminário de Processos de TT e Manutenção de Fornos. A ser realizado em 1 de Outubro em São Leopoldo no Rio Grande do Sul. A conferir. Boa leitura!
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EDITORIAL BRASIL O melhor da Engenharia de Superfícies para quem busca soluções de alta qualidade. Com o know-how da HEF Durferrit, é possível fornecer aos mais diversos segmentos industriais soluções que possibilitem redução de atrito, aumento da resistência ao desgaste e à corrosão, entre outros benefícios, garantindo o cumprimento de requisitos de sustentabilidade e aumento de competitividade. Somos especialistas em desenvolver e aplicar soluções customizadas para nossos clientes, trabalhando de acordo com prazos e necessidades de cada projeto, desde a etapa de desenvolvimento até o estudo de performance dos componentes, assessorando nossos clientes na escolha da melhor solução técnico-econômica.
Nossas tecnologias são aplicadas em diversas indústrias, tais como: automobilística, aeronáutica, metalúrgica, agrícola, entre outras.
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Industrial Heating
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Indústria & Negócios
Novidades
INDICADORES ECONÔMICOS NÚMERO DE CONSULTAS 5,0
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NÚMERO DE PEDIDOS 4,0
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CARTEIRA
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jan a mar/19
abr a jun/19
Confira o resultado da pesquisa de opinião feita com os nossos leitores quanto à tendência (de crescimento ou diminuição) dos números do mercado de tecnologias térmicas. Foram feitas as seguintes perguntas aos cadastrados em nosso banco de dados: 1) O número de consultas de clientes mudou de Abril a Junho de 2019 em comparação com o trimestre anterior? Defina um ponto na escala entre -10 a +10. 2) O número de pedidos de clientes mudou de Abril a Junho de 2019 em comparação com o trimestre anterior? Defina um ponto na escala entre -10 a +10. 3) Como mudou a sua carteira de pedidos de Abril a Junho de 2019 em comparação com o trimestre anterior? Defina um ponto na escala entre -10 a +10. 4) Olhando o futuro próximo, na sua opinião, como deve se comportar o mercado da indústria de tecnologias térmicas nos próximos 30 dias? Defina um ponto na escala entre -10 a +10.
FORNOS INDUSTRIAIS PARA TRATAMENTO TÉRMICO
Processos de tratamento térmico de alta precisão: Recozimento
Têmpera
Martêmpera
Cementação Carbonitretaçaõ
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12 JUL A SET 2019
Industrial Heating
Indústria & Negócios
Novidades
Industrial Heating
JUL A SET 2019 13
Indústria & Negócios
Novidades Bright World of Metals:
GIFA METEC THERMPROCESS NEWCAST O quarteto de feiras GIFA, METEC, THERMPROCESS & NEWCAST: um mega condutor de tendências
F
oram cinco dias agitados de feira, o Bright World of Metals, como é chamado o quarteto de feiras, foi realizado de 25 a 29 de junho. Fortaleceu sua posição como a plataforma de feiras mais importante do mundo em tecnologia de metalurgia e fundição. Os resultados foram excelentes para expositores e visitantes da GIFA, METEC, THERMPROCESS & NEWCAST, particularmente em termos de quão internacional era a demografia em comparação com eventos anteriores: 70% dos expositores eram do exterior (65% em 2015) e 66% dos os visitantes vieram de países estrangeiros (62% em 2015). Cerca de 72.500 visitantes de 118 países foram recebidos nos corredores durante os cinco dias de feira. A demanda por metalurgia européia e tecnologia de fundição é particularmente forte no exterior, especialmente na Ásia. Isso também
14 JUL A SET 2019
Industrial Heating
se reflete no ranking internacional de países: China e Índia foram os primeiros em número de visitantes, seguidos por Itália, Turquia, Japão, França e Rússia. Dipl.-Ing. Heinz Nelissen, presidente da GIFA & NEWCAST e CEO da divisão de fundição da Vesuvius GmbH FOSECO, foi rápido em confirmar: “Logo após o
início da feira, qualquer incerteza restante causada pela crise econômica simplesmente sumiu e a multidão de visitantes foi impressionante. Essa enorme multidão de visitantes de alta qualidade, de uma variedade incrivelmente diversificada de países internacionais, esteve aqui para ver as inovações de nossos expositores”, disse Nelissen. “Acima de tudo,
Udo Fiorini, David Howard, Codere; Thomas Kreuzaler, Tecpropro
Indústria & Negócios
Novidades
EVENTOS
Jose Quintana Neto, diretor da Inductotherm Brasil, Udo Fiorini; Doug Brown, presidente da Inductotherm
Stand da empresa ECM Group na feira THERMPROCESS
Alberto Gómez Doce, Ramon Gomez e Udo Fiorni com equipe do stand da Insertec
digitalização, automação, fabricação aditiva e eficiência de recursos foram os pontos focais das negociações. Sem dúvida, provamos que a GIFA reforçou o status desta feira como líder global.” O segundo fator importante para o sucesso, juntamente com a diversidade de internacionalidades, é a qualidade dos visitantes: mais de dois terços trabalham na alta e média gerência de suas empresas e, como tal, influenciam diretamente as decisões de investimento. Dr.-Ing. Joachim G. Wünning, presidente da THERMPROCESS e CEO da WS Wärmeprozesstechnik GmbH,
também confirmou isso como expositor: “O clima é incrível. feira realmente estimula as decisões de investimento, e é exatamente isso que a nossa indústria precisa. “ Mais uma vez, o quarteto de feiras de metalurgia provou ser um impulsionador de tendências e inovação. As mega tendências, como manufatura aditiva e indústria 4.0, percorreram todos os salões de feiras, unindo-os. Essas tendências encontraram grande interesse dos visitantes profissionais. Os assuntos de eficiência energética e economia de recursos também tiveram um grande papel em eventos, que
poderiam ser vistos melhor nas trilhas ecoMetals, por exemplo. A sinopse de Burkhard Dahmen, Presidente da METEC e Presidente do Conselho de Administração do Grupo SMS, também foi positiva: “A METEC deste ano apresenta uma declaração clara e é um marco para o futuro da metalurgia e da produção de aço. Os expositores apresentaram conceitos de solução que refletiam principalmente os destaques futuristas do setor: ecoMetals, fabricação aditiva, sustentabilidade e digitalização. Agora, precisamos aproveitar esse espírito e agir de acordo com ele para criar um futuro de sucesso. Estou ansioso para ver os resultados da METEC 2023.” O próximo Bright World of Metals, composto pelas principais feiras GIFA, METEC, THERMPROCESS & NEWCAST, será realizado em junho de 2023; a data precisa será definida nos próximos meses. Industrial Heating
JUL A SET 2019 15
Indústria & Negócios
Novidades
VI Seminário Manutenção e Segurança de Fornos Industriais: Combustol
O
VI Seminário Segurança e Manutenção de Fornos foi realizado em 05 e 06 de Junho de 2019 nas instalações da Combustol Fornos em Jundiaí, São Paulo. Aproveitando o fato do Grupo Combustol, sócio da empresa, estar festejando este ano 60 anos de atividades, a alta direção das empresas dirigiu palavras de saudação aos participantes em comemoração
ao fato na cerimônia de abertura do evento. A empresa aproveitou uma área do escritório ainda não ocupada e a transformou em um aconchegante ambiente para o seminário também aproveitado para treinamentos futuros. Em uma sala separada especialmente preparada como auditório foram apresentadas aos cerca de 70 participantes uma série de palestras durante os dois dias do
Aparício Freitas, Combustol Fornos; Udo Fiorini; Thales Peçanha e Marcelo Peçanha, Grupo Combustol 16 JUL A SET 2019
Industrial Heating
evento. Veja a programação: Sistemas de Combustão a Gás – Segurança e Controle - Einar Cristofani – CONAI Sistemas de Segurança em Fornos: o Acionamento Elétrico - Cezar Nogueira - Contemp Sistemas de Segurança em Fornos: o Acionamento Elétrico (palestra no stand) - Cezar Nogueira - Contemp Industry 4.0 = Smart Industrial Vacuum Furnaces, the future to the simple maintenance (Indústria 4.0 = Fornos a Vácuo Industriais Inteligentes, o futuro para a manutenção fácil) - Łukasz Chwiałkowski - Seco Warwick Sistema Supervisório Combustol Mario Enju - Combustol Fornos Modern, precise, safe, energy efficient and ecological vacuum heat treatment equipment Equipamento de tratamento térmico a vácuo moderno, preciso, seguro, energeticamente eficiente e ecológico - Łukasz Chwiałkowski - Seco Warwick
Indústria & Negócios
Novidades
EVENTOS
Eric Tsai, CTMSP - Marinha; Lukasz Chwialkowski, Seco Warwick; Udo Fiorini
Segurança em Fornos com Atmosfera Ativa - Silvio de Campos Junior - Combustol Exaustão em Estufas com Atmosferas Contaminantes. Riscos e Segurança de Projeto Aparicio Freitas Combustol Manutenção, NR-10 e NR-12 em Conversores Indutivos Transistorizados - Alexandre Furlanetto Albatherm Aspectos Práticos sobre Riscos e Segurança na Operação de Fornos Industriais - Shun Yoshida Combustol Tratamento de Metais Kanthal - Produtos para Segurança e Facilidade na Manutenção de Fornos Industriais - Bruno Gazio Kanthal TUS / SAT para Atendimento à CQI-9 -José Benedito Pinto – TTTérmicos Durante o primeiro dia foi realizada uma visita guiada às instalações fabris da empresa. Os diversos setores visitados bem como os equipamentos em construção foram apresentados aos visitantes sendo explicado detalhes
José Eduardo Toselli, Contemp; Udo Fiorini; Alexssandro Mello, Contemp; Cezar de Pádua, Contemp
Aparecido Donizetti, Combustol Fornos; Thales Peçanha, Combustol; Udo Fiorini; Aparício Freitas, Combustol Fornos; Marcelo Peçanha, Combustol; Ralpho Avalone, Combustol
pela direção e por técnicos da Combustol. O clima descontraído foi constante em todos os momentos e forte network dos participantes e dos patrocinadores Kanthal, Contemp, Eltropuls foi observado no decorrer do evento e também no cocktail de encerramento.
Foto em grupo dos participantes do VI Seminário de Manutenção e Segurança de Fornos Industriais
Leandro de Oliveira, Kanthal; Udo Fiorini; Bruno Gazio, Kanthal; José Joaquim da Silva, Kanthal Industrial Heating
JUL A SET 2019 17
Indústria & Negócios
Novidades
EVENTOS Setembro 17-20 FENAF - Feira Latino Americana de Fundição São Paulo (SP) www.abifa.org.br/feira Setembro 17-20 INTERMACH - Feira e Congresso Internacional de Tecnologia, Máquinas, Equipamentos Joinville (SC) www.intermach.com.br Setembro 18-19 III Engrenagens - Usinagem e Tratamento Térmico FACENS - Sorocaba (SP) www.grupoandrenda.com.br Outubro 01-03 V ABM Week ,10° Tubotech e 4° Wire South America São Paulo (SP) www.abmbrasil.com.br/ www.tubotech.com.br/ www.wire-southamerica.com Outubro 02-04 SENAFOR Porto Alegre (RS) www.senafor.com.br Novembro 04-05 VII Seminário de Tecnologia do Forjamento FEI - São Bernardo do Campo (SP) www.grupoaprenda.com.br Novembro 27-28 I Seminário de Tecnologia de Estampagem UFMG - Belo Horizonte (MG) www.grupoaprenda.com.br
2020 Março 03-05 Heat Treat Mexico 2020 Hotel Grand Fiesta Americana - Queretaro, México www.asminternational.org 18 JUL A SET 2019
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Abril 01-02 VII Seminário de Processos de Tratamentos Térmicos www.grupoaprenda.com.br Maio 05 - 09 FEIMEC - Feira Internacional de Máquinas e Equipamentos São Paulo Expo - Vila Água Funda (SP) www.feimec.com.br Maio 13-14 VII Seminário Manutenção e Segurança de Fornos Industriais www.grupoaprenda.com.br Junho 24-25 VI Seminário de Introdução ao Tratamento Térmico e Metalografia www.grupoaprenda.com.br Setembro 15-18 Metalurgia 2020 Pavilhões Expoville - Joinville (SC) www.metalurgia.com.br Setembro 30 - Outubro 2 FNA - Furnaces North America Louisville, Kentucky (Estados Unidos) www.furnacesnorthamerica.com
2021 Maio 4-8 EXPOMAFE São Paulo Expo - Vila Água Funda (SP) www.expomafe.com.br Setembro 14-16 Heat Treat 2021 St. Louis, MO, EUA www.asminternational.org A SF Editora não se responsabiliza por alterações em data, local e/ou conteúdo dos eventos.
Novidades 05-09
Indústria & & Negócios
MAIO 2020
3ª
A
6ª 10H
SÁBADO 9H
ÀS ÀS
19H
17H
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Agência de Viagens Oficial
/feira.feimec
Local
/feirafeimec
Associada à
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JUL A SET 2019 19
EDUCAÇÃO & PESQUISA
EESC-USP Tupã
A
JOTA FRANCISCO VICTOR SANTOS SILVIO ROBERTO Alunos de engenharia mecatrônica da EESC-USP desde 2017 e possuem em comum a ambição de alocar o Brasil como um centro de desenvolvimento de tecnologia e um dos pioneiros na tecnologia de veículos elétricos.
20 JUL A SET 2019
Fórmula SAE é uma competição estudantil de automobilismo organizada anualmente pela Society of Automotive Engineers. Nela, equipes apresentam seus projetos e testam o desempenho dos seus carros em diferentes provas dinâmicas. Essa competição acontece em diversos países, inclusive no Brasil e tem como objetivos incentivar o desenvolvimento do automobilismo, complementar a formação de estudantes universitários e conectar empresas com os futuros engenheiros. Uma das equipes que compete na categoria de carros elétricos da Fórmula SAE é a EESC-USP Tupã, fundada em 2012 por alunos de engenharia da USP de São Carlos. A equipe, que foi batizada em homenagem ao deus do trovão e do relâmpago do panteão tupi-guarani, hoje constrói seu quinto protótipo: o T-05. Ao longo de sua curta história, o Tupã conquistou pódios tanto em provas específicas quanto na classificação geral. Além de ter sido a primeira equipe do Brasil a implementar dois motores em seu sistema trativo. O Tupã complementa a formação técnico-científica de mais de 70 estudantes todos os anos. Isso, porque a execução de um projeto
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complexo de engenharia durante a graduação permite aos estudantes desenvolver habilidades de trabalho em equipe e métodos de resolução de problemas de engenharia. Com isso o aluno se torna mais atrativo para o mercado de trabalho, que exige além de conhecimento técnico, profissionais resolutivos e aptos a trabalhar em grupo. Desde a sua fundação a equipe EESC-USP Tupã contribuiu orgulhosamente para a formação de centenas de engenheiros. Além do seu papel educacional, a equipe tem um forte núcleo de pesquisa e desenvolvimento. Ao longo dos últimos 7 anos alguns itens destacam-se na construção do futuro do automobilismo. Como os ensaios mecânicos de uma espuma de poliestireno e sua posterior aplicação como atenuador de impacto - uma descoberta que permite uma redução significativa de massa nesse componente tão importante nos veículos de competição. Além disso, o desenvolvimento e programação de um diferencial eletrônico - um dispositivo de controle que está alinhado com a tendência mundial de vetorização de torque. Ademais, as pesquisas realizadas em tratamentos térmicos de aço e alumínio e na aplicação de materiais compósitos. Finalmente, o desen-
EDUCAÇÃO & PESQUISA
volvimento parcial de um sistema de controle de baterias - o que representa um dos gargalos para a implementação de conjuntos com múltiplas células de bateria. Exemplos como esse exaltam o papel de equipes estudantis no progresso técnico-científico do país. Outro campo de atuação importante da equipe é a extensão. Ao longo
do ano, seus membros se revezam para visitar escolas públicas e divulgar nessas instituições algumas das atividades realizadas dentro da universidade e os meios para ingressar nela. A fim de visitar ainda mais escolas e promover para mais jovens o encantamento pela ciência, a equipe fechou uma parceria com a prefeitura de São Carlos. Assim, serão
atendidas pelo menos 15 instituições públicas de ensino até o fim do ano. Naturalmente, equipes como o Tupã tem imprescindível apoio de empresas parceiras que fornecem serviços, materiais, investimento financeiro e/ ou cooperação técnica ao projeto. Em contrapartida essas organizações têm a oportunidade de se aproximar do meio acadêmico e de obter acesso não só a um vasto ambiente de pesquisa, mas a um grupo de conta com alguns futuros engenheiros mais competentes no mercado de trabalho. Fica evidente, portanto, a importância de competições estudantis como as organizadas pela SAE - não só na formação acadêmica de estudantes, mas na promoção do desenvolvimento técnico-científico do país. Boa leitura!
Combustol Fornos Indústria e Comércio Ltda Rua Alberto Belesso, 590 - Lote 3 - Qd C Parque Industrial II, Jundiaí (SP) (11) 3109-5900 vendas.jundiai@combustol.com.br www.combustol.com.br
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JUL A SET 2019 21
COMBUSTÃO
Perigos no Monóxido de Carbono
O
FERNANDO CÖRNER DA COSTA fcorner@uol.com.br Doutor em Energia pela USP, Mestre em Engenharia de Processos Químicos e Bioquímicos pela Mauá, Eng. de Segurança pela UERJ e Eng. Mecânico pela PUC-RJ, consultor sênior da ULTRAGAZ.
monóxido de carbono é um gás comumente utilizado em atmosferas de tratamento termoquímico por suas excelentes características como gás redutor. Porém é um gás que inspira muitos cuidados pois pode causar fatalidades. Ultimamente a mídia vem noticiando casos fatais destacando genericamente como “mortes por vazamento de gás” em residências, nem sempre especificando a que gás se refere. Isto pode gerar conceitos equivocados, como se o gás natural e o GLP fossem gases tóxicos, o que não são. O problema é a formação e o acúmulo de monóxido de carbono nos produtos da combustão em um ambiente com más condições de ventilação e exaustão, de modo aumentar sua concentração a ponto de constituir risco à saúde humana. Porém os riscos podem ser ainda maiores em ambientes industriais, devido ao manejo do monóxido de carbono em concentrações mais elevadas – necessárias a processos térmicos por suas características químicas. Geradores endotérmicos são aqueles onde hidrocarbonetos como GLP ou gás natural reagem com a quantidade mínima de ar, mediante fornecimento externo de energia, de forma a produzir um gás rico em monóxido de carbono e hidrogênio para tratamento térmico de metais.
As reações químicas ideais para geração de gás endotérmico com gás natural e propano são, respectivamente, as seguintes: CH4 + 2,4 ar = CO + 2 H 2 + 1,9 N2 C3H8 + 7,2 ar = 3 CO + 4 H 2 + 5,7 N2 Nota: considerando o ar com a composição volumétrica simplificada de 79% N2 e 21% O2. As composições volumétricas típicas dos gases endotérmico e exotérmico gerados a partir de gás natural são [3]: Gás endotérmico (seco): 40% H 2 + 20% CO + 0,4% CO2 + 0,1% H 2O + 0,15% CH4 + 39,35% N2 Gás exotérmico: 7% H 2 + 6% CO + 7,5% CO2 + 0,5% H 2O + 0,25% CH4 + 78,75% N2 Outros gases gerados nas siderúrgicas integradas também possuem teores tipicamente significativos de monóxido de carbono, como o gás de coqueria (7,4%) e o gás de alto forno (23 a 33%) [1]. O monóxido de carbono atua no ser humano através dos pulmões devido à afinidade da hemoglobina ser superior a 200 vezes mais rápida com o CO em relação à absorção do oxigênio, elevando significativamente a taxa de carboxihemoglobina no sangue em relação à oxihemoglobina. A redução do transporte de oxigênio para os tecidos do corpo pela redução da taxa de oxihemoglobina leva
Tabela 1. Tabela Z-1 / OSHA [5] Limites Regulatórios
Substância
Cal/ OSHA PEL 29/ 03/ 2019
NIOSH REL 7/ 7/ 2016
ACGIH 2019 TLV
8 horas TWA (C) Teto
Até 10 horas (C) Teto
8 horas TWA (C) Teto
25 ppm (C) 200 ppm
35 ppm (C) 200 ppm
25 ppm
OSHA PEL (ppm)
CO
22 JUL A SET 2019
Limites Recomendados
50 ppm
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COMBUSTÃO o organismo à hipóxia, causando inicialmente fadiga e evoluindo para distúrbios visuais, náusea, desorientação e culminando em morte, dependendo da concentração do CO e do tempo de exposição a esta substância [2]. Por ser incolor, insípido e inodoro, o monóxido de carbono não é perceptível pelos sentidos humanos. Além da sua insalubridade, este gás apresenta um amplo campo de inflamabilidade: de 12,5% a 74,2% de CO em mistura com ar (base volumétrica) [6]. A Tabela 1 apresenta os limites máximos admissíveis para exposição, estabelecidos por instituições norteamericanas, em base volumétrica. PEL – Permissible Exposure Limit (Limite de Exposição Admissível), usualmente expresso em TWA. TWA – Time-Weighted Average, é uma média ponderada entre a concentração de uma substância ao longo de um período de tempo. Teto – valor máximo admissível que não pode ser ultrapassado em nenhum momento. NIOSH – The National Institute for Occupational Safety and Health, Agência Federal dos EUA. REL – Recommended Exposure Limit, limite máximo recomendado para exposição. ACGIH – Association Advancing Occupational & Environmental Health USA. TLV – Threshold Limit Value, valor acreditável do limite de tolerância máxima que um indivíduo pode ser exposto diariamente durante sua vida de trabalho sem ocorrerem efeitos adversos. A letalidade aguda em indivíduos saudáveis em situação de atividade leve, quando expostos ao CO está indicada na Tabela 2. Indivíduos em atividades mais intensas e/ ou com problemas cardíacos poderiam ir a óbito quando submetidos a concentrações inferiores aos valores indicados nesta tabela. Explicações da Tabela 2: 10.000 ppm = 1 % (base volumétrica) BSI – British Standards Institution ISO – International Organization for Standardization Por exemplo na Tabela 2, na concentração de 16.000 ppm (1,6%) de CO no ambiente, a morte poderia ocorrer em cerca de 5 minutos de exposição, considerando indivíduo saudável praticando atividade leve. Como não existem dois indivíduos iguais, essas considerações devem ser entendidas como valores médios, razão pela qual a norma ISO prefere citar faixas.
Tabela 2. Índices de letalidade para o monóxido de carbono [4] Referência Tempo de Exposição (min) BSI (1989) ppm
ISO (1989) ppm
2
40.000
-
5
16.000
12.000 a 16.000
10
8.000
-
30
3.000
2.500 a 4.000
60
1.500
-
Os acidentes fatais geralmente ocorrem pela inobservância às normas de segurança. Níveis inadequados de monóxido de carbono em ambientes fabris podem ser identificados através de sistemas fixos de detecção, instalados em pontos estratégicos onde seja possível sua presença permanente ou eventual, com alarmes sonoro e luminoso – local e remoto. Além disso, os funcionários que adentrarem às áreas de risco, como operadores e brigadistas, devem usar detectores portáteis de CO como EPI – Equipamento de Proteção Individual. Cabe alertar que, além do monóxido de carbono existem outras condições que também podem constituir risco ocupacional em áreas industriais, como o gás sulfídrico (H 2S), óxidos de enxofre (SOx), gases e vapores inflamáveis, dióxido de carbono (CO2), materiais particulados e insuficiente teor de oxigênio. Referências [1] COSTA, F.C. – Fuel gas application in industry, capítulo do Handbook of combustion, volume 3, Wiley-VCH, Germany, 2010. [2] COSTA, F.C. – Artigo: Morte por monóxido de carbono em residências, publicado na página do LinkedIn do autor, 2019. [3] LINDE AG, Gases Division, Furnaces atmospheres no. 2, Germany, 2017. [4] NRC – National Research Council, Acute Exposure Guideline Levels for Selected Airborn Chemicals, volume 8, The National Academies Press, Washington DC, 2010. [5] OSHA – Occupational Safety and Health Administration, U.S. Department of Labor, Standard part number 1910, subpart Z, Toxic and Hazardous Substances, Table Z-1, Limits for Air Contaminants, disponível em www.osha.gov, consulta em 27/06/2019. [6] SPIERS, H.M. – Technical data on fuel, 6th edition, British National Committee, 1962. Industrial Heating
JUL A SET 2019 23
SIDERURGIA
Manganês, Vítima de seu Próprio Sucesso
O
ANTONIO AUGUSTO GORNI agorni@iron.com.br www.gorni.eng.br Engenheiro de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (1981); Mestre em Engenharia Metalúrgica pela Escola Politécnica da USP (1990); Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual de Campinas (2001); Especialista em Laminação a Quente. Autor de mais de 200 trabalhos técnicos nas áreas de laminação a quente, desenvolvimento de produtos planos de aço, simulação matemática, tratamento térmico e aciaria.
24 JUL A SET 2019
uso de manganês como elemento de liga no aço já se consagrou há muitas décadas. Nos aços estruturais ele contribui para o aumento da resistência mecânica através do refino de grão decorrente da redução da temperatura de transformação da austenita para ferrita, bem como do aumento da fração de perlita na microestrutura. Além disso, esse elemento elimina a fragilidade a quente ao se combinar com o enxofre, evitando a formação do sulfeto de ferro que se liquefaz nas temperaturas usuais da conformação a quente. Sua contribuição ao aumento da temperabilidade é discreta, mas seu baixo preço permite que seja usado em teores relativamente elevados, aumentando essa característica mediante custos moderados. Por fim, o manganês é um elemento de liga fundamental na produção dos aços Hadfield, material indicado para aplicações onde se requer alta resistência ao desgaste, onde o teor desse elemento é da ordem de 10%. Mas, como tudo no mundo, o uso do manganês implica em alguns problemas que, já no passado, motivaram o desenvolvimento de estudos visando a minimização de seu teor. Em aciarias a oxigênio mais antigas, que não dispõem de forno-panela ou desgaseificação a vácuo, a redução do teor de manganês diminui a carga fria a ser incorporada ao aço líquido, permitindo a redução da temperatura de fim de sopro, além de reduzir a contaminação da corrida por fósforo e viabilizar o uso de ferro-manganês com maior teor de carbono, que é mais econômico. Em aços destinados à fabricação de tubos de grande diâmetro para condução de fluidos petrolíferos e que devam ser resistentes à ação do ácido sulfídrico, a redução do teor de manganês reduz a intensidade da sua segregação no centro da chapa e aumenta a solubilidade do enxofre, minimizando ou mesmo suprimindo
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“Essa nova conjuntura abre a possibilidade de um aumento significativo no consumo de manganês, o que implica num risco potencial de elevação em seu preço e menor disponibilidade no futuro. ” o aparecimento de inclusões de sulfeto na microestrutura, melhorando significativamente o desempenho desse produto contra a fragilização induzida por hidrogênio. E, em todos os casos, há redução no custo do produto decorrente da menor quantidade de ferromanganês utilizada. Mesmo com todas essas restrições, na prática o emprego de manganês vem aumentando ao longo do tempo. Países em desenvolvimento, como a China e Índia, estão produzindo quantidades cada vez maiores de aços estruturais para uso em obras de infraestrutura, cujo teor médio de manganês é mais alto do que o dos aços voltados para bens de consumo, resultando em maior demanda para esse elemento de liga. Recentemente, com o desenvolvimento dos aços AHSS (Advanced High Strength Steels, ou aços avançados com alta resistência mecânica), voltados para a indústria automobilística, o manganês assumiu importância ainda maior como elemento de liga. O exemplo de maior destaque são os chamados aços TWIP (Twinning Induced Plasticity, ou aços com plasticidade induzida por maclação), os quais usam teores excepcionalmente altos desse elemento, da ordem de 20 a 22%, levando à obtenção de microestrutura austenítica sob temperatura ambiente que apresenta excepcionais combinações de resistência mecânica e
SIDERURGIA ductilidade. Na esteira desse desenvolvimento também surgiram outros aços para uso estrutural com teores médios e altos de manganês, todos usando um teor mínimo desse elemento da ordem de 4% em peso. Essa nova conjuntura abre a possibilidade de um aumento significativo no consumo de manganês, o que implica num risco potencial de elevação em seu preço e menor disponibilidade no futuro. Isso vem colocando as possibilidades de sua substituição por outros elementos de liga no radar das siderúrgicas. Mas até que ponto isso já estaria ocorrendo? Uma análise da evolução dos preços de ferro-manganês ao longo dos últimos anos revela que o preço do ferromanganês na Europa dobrou de preço entre 2000 e 2007, momento em que triplicou repentinamente em função daquele momento de exuberância irracional da siderurgia. Após o crack de 2008 seu preço desabou, atingindo níveis apenas 50% superiores aos reinantes imediatamente antes do pico excepcional de 2007. Ocorreu então uma queda paulatina de sua cotação até 2017, quando seu preço atingiu cerca de 80% dos níveis de 2007, a qual se interrompeu então por uma súbita elevação em mais de 50%. Como se
pode observar, ainda não é possível afirmar que ocorreram aumentos disruptivos e permanentes no preço dessa ferro-liga. O fato que é que aços TWIP ainda são mais festejados na academia do que no chão de fábrica, pois sua ampla produção e utilização industrial ainda requer muitos estudos e experiências para que suas vantagens sejam plenamente aproveitadas. Isso pode explicar a relativa inapetência no consumo e cotações do ferro-manganês que se verifica até o momento. Por outro lado, já há relatos de experiências onde foi feita a substituição parcial desse elemento pelo nióbio em aços estruturais laminados a quente para aplicações menos sofisticadas onde não se requer garantia de altos níveis de tenacidade. Neste caso pode-se eventualmente dispensar a aplicação de tratamentos termomecânicos para intensificação do refino microestrutural, o que facilita o processamento do material. Os relatos sobre testes preliminares feitos por siderúrgicas chinesas indicaram que essa abordagem foi bem-sucedida. Contudo, sua sustentabilidade vai depender do grau de eficiência do nióbio como substituto do manganês e das relações entre os preços das correspondentes ferro-ligas.
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JUL A SET 2019 25
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Variação na Composição Química do Material
P
Nível dos elementos de liga
Martensita (%)
Dureza (HV)
Limite de Resistência à Tração (N/mm2)
Dureza pós revenimento
Tensão residual pós revenimento (N/mm2)
or quais razões obtemos propriedades mecânicas distintas Ponto de controle da dureza após o mesmo tratamento térmico realizado mais de uma vez, como por exemplo no caso da têmpera e do revenimento? Além das condições de processo, as condições da matéria prima também têm influência. Para mostrar isso, consideremos uma ALISSON DUARTE análise via simulação, sendo possível portanto manter a repetibilidade do processo. alisson@sixpro.pro Contudo, vamos variar a composição Fig. 1. Garfo a ser tratado termicamente (Mettis Aerospace Atua no setor de Engenharia da Plc. UK) química do material dentro da sua faixa SIXPRO Virtual&Pratical Process. Para esse aço, consideremos três diferentes nominal normatizada. Tomemos o aço ligado É também professor do Dep. de Eng. de Materiais da UFMG e do composições químicas, dentro da faixa nominal: ao NiCrMo (norma BS S154), utilizado em Dept. de Eng. Metalúrgica da PUC uma no limite inferior, outra com um nível aplicações estruturais aeroespaciais, como no Minas. Possui Pós-Doutorado em médio de elementos de liga e a terceira no garfo mostrado na Fig. 1. Metalurgia da Transformação. limite superior. Tabela. Propriedades mecânicas pós têmpera no ponto de controle (QForm) Após a têmpera, as três composições químicas irão apresentar a formação de uma microestrutura martensítica, como exemplificado na Fig. 2. Entretanto, haverá uma variação da dureza em função da variação na composição química (Fig.3) e, Inferior 95 599 1870 269 751 consequentemente, uma variação das demais Médio 91 543 1680 265 690 propriedades mecânicas (Tabela 1). Superior
64
427
1285
247
615
HV 427
a)
89.0 88.0
HV 543
87.0 86.0 85.0 84.0
HV 599
83.0 82.0 81.0
Inferior
80.0 79.0
b)
Médio
Superior Fig. 3. Dureza simulada após a têmpera para um mesmo aço com diferentes níveis de elementos de liga, dentro da sua faixa nominal (QForm) 26 JUL A SET 2019
Industrial Heating
Fig. 2. (a) Fração martensítica simulada e a (b) micrografia martensítica obtida (QForm)
CURSOS DE FÉRIAS SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
FEVEREIRO • 2020 03 04
Operação de Sistema de TT por Indução Instrutor: José Carlos Zerbini - Gerente operacional da Synergetica
Sistemas e Processos Industriais. Engenheiro elétrico com pós-graduação em eletrônica industrial. Desenvolvimento de processos de tratamento térmico e aquecimento para conformação à quente. Especialização em aplicação de conversores de frequência para aquecimento indutivo.
05 06 07
Tecnologia de Retificação Centerless Instrutor: Angelo Valdir Lanza - Autodidata e Pesquisador em Engenharia de Processos de Fabricação Mecânica, com especiali zação em Usinagem por Abrasão. Consultor especialista com trabalhos desenvolvidos em mais de 60 empresas metalmecânicas e montadoras automotivas, aqui no Brasil e no exterior.
10 11
Metalografia e Propriedades dos TT e Termoquímicos Instrutor: Rodolfo Libardi - Formado em Física pela UNESP Rio Claro,
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Tecnologia de Brunimento Instrutor: Angelo Valdir Lanza - Autodidata e Pesquisador em Engenharia de Processos de Fabricação Mecânica, com especiali zação em Usinagem por Abrasão. Consultor especialista com trabalhos desenvolvidos em mais de 60 empresas metalmecânicas e montadoras automotivas, aqui no Brasil e no exterior.
17 18 19
Processo de Estampagem - Teoria e Simulação Instrutor: Alisson Duarte - atua na área de simulação de materiais e
Mestrado em Materiais pela USP São Carlos e Doutorado em Materiais pela UNICAMP - Campinas. Foi sócio proprietário da Empresa LABTESTE. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em propriedades mecânicas dos metais e suas ligas, microestruturas e resistência à corrosão.
de processos metalúrgicos da SIXPRO. Possui pós-doutorado em Metalurgia e é Professor da UFMG e da PUC. Possui grande experiência na simulação de materiais, de conformação mecânica e de tratamentos térmicos.
SITE
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FONE +55 (19) 3288-0677 Industrial Heating JUL A SET 2019 27 3288-0437
PESQUISA E DESENVOLVIMENTO
A Complexidade dos Revestimentos Protetivos em Aços Planos
C
MARCO ANTONIO COLOSIO marcocolosio@gmail.com Diretor da Regional São Paulo da SAE BRASIL. Engenheiro Metalurgista e Doutor em Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-USP, pós doutorado pela EESC-USP. Professor titular do curso de Engenharia de Materiais da Fundação Santo André e professor da pós graduação em Engenharia Automotiva do Instituto de Tecnologia Mauá. Colaborador e associado da SAE BRASIL com mais de 30 anos de experiência no setor automotivo nos campos de especificações de materiais, análise de falhas, P&D e inovações tecnológicas.
aros leitores, gostaria de compartilhar contigo um campo de aplicações de aços planos que estão relacionados a revestimentos protetivos, como os usados para resistir à corrosão, mas que afeta diretamente os processos de estampagem, soldagem e pintura do veículo. Além dos aços não revestidos, o setor automotivo global aplica normalmente três tipos principais de revestimentos, como por exemplo: o Zn puro feito por imersão a quente ou o tipo Zn puro por eletro galvanização e o terceiro, Zn-Fe feito apenas por imersão a quente com posterior difusão de Fe, ficando a critério dos engenheiros definirem o melhor para atender ao seu produto; mas a natureza destas decisões passa muitas vezes por questões comerciais; ainda nesta linha, surgem outros tipos, como o AlSi e Mg-Zn restritos para algumas aplicações e patentes de usinas. Para dificultar esta discussão, as diferentes regiões do globo referenciam o grau de corrosividade com a sua localização e definem as especificações destes materiais em função disto, porém ao mesmo tempo que melhoramos estes produtos, existe um onda
“Neste campo, existe muita oportunidades aqui no Brasil nas plataformas globais, ou seja, poderíamos se beneficiar na redução de custo do aço na faixa de 2 a 3% para cada redução de 10 g/m2 na camada protetiva.” 28 JUL A SET 2019
Industrial Heating
inversa que tenta reduzir estes revestimentos para redução de custo e isto já se percebe em certas marcas e veículos. A região brasileira apresenta menor corrosividade Nível 3, enquanto a Europa é Nível 1 e por fim, as de Nível 2 como EUA, Canada, México e China. Neste campo, existe muita oportunidades aqui no Brasil nas plataformas globais, ou seja, poderíamos se beneficiar na redução de custo do aço na faixa de 2 a 3% para cada redução de 10 g/m2 na camada protetiva, sendo que um valor padrão global de aplicação Nível 1 é de 60 g/m2 no aço; portanto, camadas de 50 ou até 40 poderiam ser uma boa opção em nosso mercado se devidamente validadas. Entrando em um debate mais acirrado, sabe-se que os aços laminados a quente, em via de regra, não são revestidos diretamente nas linhas das grandes usiminas por questão operacionais, tornando estes produtos mais escassos em nossa região, apesar de que eles podem ser encontrados mais facilmente em outros continentes; este fato está atrelado as questões de investimentos em linhas produtivas, que requerem tratamentos adicionais na superfície do aço antes do revestimento e também novas etapas nas linhas de laminados a quente. Mas, a principal discussão não está nos aços laminados a quente, que torna-se muito escassos em espessuras abaixo de 2,00 mm, mas sim nos laminados a frio de espessuras de 0,5 a 1,4 mm, onde estão na maior parte das aplicações nos BIW (Body in White). O tema se complica quando olha-se para situações de soldagem, estampagem e adesivagem; para o primeiro, o maior desgaste dos eletrodos encarecem o produto
PESQUISA E DESENVOLVIMENTO e afeta a produtividade, neste caso, os revestimento ZnFe são os melhores neste campo, porém são os piores para aplicações de adesivos estruturais, onde ele é o mais passivo na ocorrência de desplacamentos em pacotes adesivados; para agravar, o revestimento Zn-Fe também não é amigável na estampagem, promovendo o aumento do coeficiente de atrito na ferramenta, provocando variações de repuxos e maior potencial de afinamento de chapa, sem contar que a geração de pós no processo aumenta a sujidade do ferramental; sendo, Zn puro por imersão a quente o melhor no quesito desempenho em estampagem. A definição da aplicação de um revestimento em aços estampados vai além do requisito de corrosidade e também leva em conta critérios do produto, isto é, os projetos veiculares precisam facilitar o escoamento de água e evitar o acúmulo de materiais estranhos em pontos específicos do veículo, que podem definir que um certo estampado tenha ou não um revestimento protetivo, como por exemplo, estampados de tetos e reforços. Interessante citar, que existem casos raros de aplicações de materiais de sacrifício em regiões dos veículos que sofrem muito com a corrosão, somadas a aplicações em locais terrestres
extremamente corrosivos. Dentre todos estas questões, finalizo o tema com as classes dos revestimentos mais específicos, como por exemplo o Al-Si aplicado em aços estampados a quente, onde seu papel é fundamental para integridade do produto final em termos de desempenho em fadiga e resistência a corrosão, mas neste caso, as limitações atuais de outras opções comerciais direcionam o mercado para uma única usina que detém a patente deste produto; ambiente similar ocorre para o Mg-Zn, o qual apresenta desempenho excepcional em corrosão e estampabilidade, mas sua produção limita-se a um único “sourcing”. Diante deste cenário caótico, as linhas automotivas ainda sofrem com dificuldades de intercambialidade de revestimentos, por exemplo: uma eventual falta de aços nas linhas automotivas gera desvios de aços e revestimentos que exigem mudanças obrigatórias nos processos de soldagem e estampagem; todavia, muito difíceis de ser monitoradas e executadas. Enfim, os revestimentos protetivos tratam de um universo multidisciplinar e dinâmico para engenheiros e líderes e é um excelente campo para quem gosta de grandes emoções e ou deseja-se achar temas oportunos para P&D. Um abraço e até a próxima coluna IH.
TRANSFORME O FUTURO Equipamentos para Processos Térmicos de alta eficiência energé ca alinhados à Indústria 4.0. Fornos e estufas equipados com as melhores plataformas de automação e controle. Conformidade API 6A, CQI-9, AMS275OE
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JUL A SET 2019 29
DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO
O Tratamento Térmico do Inconel® 718
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Aços inoxidáveis austeníticos Superligas à base de Fe
ASS BCC + CrBA FCC BCC
FeBS NiBS
Superligas à base de Ni
FCC
Cr
Ni
Fig. 1. Diagrama ternário que ilustra a classificação de superligas à base de ferro-níquel-cromo [3]
30 JUL A SET 2019
Industrial Heating
Tamanho médio de grão, ASTM No.
Fe
Aços inoxidáveis ferríticos Ligas à base de Cr
O Que é uma Superliga? O termo “superliga” foi criado logo após a Segunda Guerra Mundial para descrever esse grupo de ligas desenvolvido especificamente para prolongar a vida útil dos motores e turbocompressores de turbinas de aeronaves, de modo a oferecer uma vida útil melhor às altas temperaturas de serviço. [1,2] Hoje, superligas (também conhecidas como ligas de alto desempenho) são materiais projetados para ambientes de serviço extremo, onde altos níveis de resistência mecânica e resistência à f luência a altas temperaturas são necessárias, em combinação com excelente resistência à corrosão à oxidação. A estabilidade da superfície das partículas dos óxidos e a microestrutura dessas ligas, ajuda-as a desempenhar aplicações em trabalhos extremos. Elas normalmente possuem uma 8
28% 18.5% 7 48% 6 5
6%
micro estrutura metalografia cúbico, de corpo centrado austenítico, contendo como elementos de liga níquel, cobalto ou ferro, daí sua classificação como superligas à base de níquel, à base de cobalto ou à base de ferro (Fig. 1). Quando se pensa no Inconel® 718 e em outras superligas desta família (por exemplo, Hastelloy® C-276, Hastelloy® X e Alloy 20), a indústria aeroespacial (pás de turbinas, sistemas de dutos, sistemas de exaustão de motores) vem imediatamente à mente, já que aproximadamente 50% desses materiais são utilizados na fabricação de aeronaves e motores de foguetes. No entanto, esses materiais também são encontrados em plantas químicas e petroquímicas (embarcações, bombas, válvulas, tubulações), usinas de energia (turbinas a gás industriais), submarinos (pás da hélice, engates rápidos, motores de propulsão auxiliares), reatores nucleares (tubos do trocador de calor) e na indústria de petróleo e gás (tubulares de fundo de poço, peças de cabeçote, escapes de chamas). [5] Superligas à base de níquel, como o Inconel® 718, estão disponíveis em chapas, placas, barras, e tubos (soldados e sem costura) e arames. A liga pode ser fornecida como forjada ou fundida. Elementos de liga
Trabalho a frio mostrado na curva
0%
4 3 1650 1750 1850 1950 Temperatura de recozimento, ˚F / 30 min.
Fig. 2. Efeito da temperatura de recozimento no tamanho de grão de uma chapa [5]
Temperatura de envelhecimento, ˚F
O
tratamento térmico e o desempenho de superligas resistentes a altas temperaturas, e o Inconel® 718 em particular, sempre foram de interesse do Doutor em Tratamento Térmico. Com maior disponibilidade e maior demanda por esta liga, entender seu tratamento térmico será de grande valia para o tratador térmico. Vamos aprender mais.
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100
10 Rc 12 Rc 20 Rc 25 Rc 30 Rc 35 Rc 38 Rc 3940 Rc 0.05 0.1 0.5 1.0 510 50 100 Tempo de envelhecimento, hora
Fig. 3. Efeito das condições de envelhecimento na dureza de uma chapa recozida (dureza inicial na condição recozida, 4 HRC) [5]
DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO Condição
Diâmetro, pol.(mm)
Resistência à tração, ksi (Kg/ cm2) min.
Resistência ao escoamento (0.2% descolamento), ksi (Kg/ cm2)
Alongamento em Resistência ao 2 pol (50.8 Redução de impacto, ft•lb mm) ou 4D% no área,% mínima (Kg•m) mínimo média min.
Dureza, Rockwell C
Trabalhado a 0.5 (12.7) para frio, solubilizado 3 (76.2), incluso e envelhecido
150 (10,545)
minímo
máximo
20
25
40 (5.55)
minímo
máximo
Trabalhado a quente, 0.5 (12.7) para 8 solubilizado e (203.2), incluso envelhecido
150 (10,545)
120 (8436)
140 (9842)
20
25
40 (5.55)
30
40
Trabalhado a quente, 8 (203.2) para 10 150 (10,545) solubilizado e (254), incluso envelhecido
120 (8436)
140 (9842)
20
25
40 (5.55)
30
40
Tabela 1. Propriedades mecânicas do Inconel® 718 envelhecido para aplicações na indústria do óleo e gás solubilizado a 1010-1040˚C e envelhecido a 790˚C por 6-8 horas e resfriado ao ar. Dados de resistência tração à temperatura ambiente, dureza e impacto a -60 ° C. [5]
como cromo, alumínio, titânio, molibdênio, tungstênio, nióbio, tântalo e cobalto oferecem uma variedade de benefícios. Por exemplo, o níquel aumenta a resistência à corrosão até 950˚C, a resistência à formação de trincas devidas a corrosão sob tensão induzida pela ação de cloretos e pelo ataque pela maioria dos compostos orgânicos e inorgânicos, enquanto o cromo impede a corrosão em meios oxidantes e ambientes com enxofre. O molibdênio melhora a resistência à formação de pites. Processo de Tratamento Térmico [1,5,6,8,9] O Inconel® 718 é normalmente adquirido na condição de recozido ou solubilizado. Em alguns casos, o material sofreu uma operação de alívio de tensão antes da usinagem e do tratamento térmico. A solubilização é seguido por uma etapa de endurecimento por precipitação (envelhecimento). A precipitação de fases secundárias (por exemplo, gama prime e gama double prime) na matriz metálica endurece o material. A precipitação das fases de níquel-alumínio, níquel-titânio e níquelnióbio é desencadeada pelo envelhecimento na faixa de temperaturas de 600-815˚C. A chave do processo de tratamento térmico é garantir que esses constituintes de endurecimento por envelhecimento estejam totalmente em solução a alta temperatura (isto é, totalmente dissolvidos na matriz), caso contrário, a precipitação não resultará na maior resistência. Dois tratamentos térmicos são comuns (embora pequenas variações de temperatura dessas receitas sejam frequentemente empregadas).
• Solubilização entre 925 e 1010°C, seguido de resfriamento rápido (geralmente em água), seguido por endurecimento por precipitação a 720°C por 8 horas, resfriamento do forno até 620°C ( manter por mais 10 horas), seguido por resfriamento a ar. • Solubilização entre 1040 e 1065°C, seguido de resfriamento rápido (geralmente em água). Isto é seguido pelo endurecimento por precipitação a 760°C por 10 horas, resfriamento do forno até a 650°C e mantendo por 10 horas seguidas por resfriamento a ar. Os tratamentos térmicos de solubilização geralmente são feitos em fornos com atmosferas de baixo ponto de orvalho (argônio ou a vácuo), geralmente com zonas quentes totalmente metálicas para evitar descoloração do material tratado. O efeito do recozimento por 30 minutos no tamanho do grão (Fig. 2) varia com a temperatura. Além disso, a resposta ao envelhecimento do Inconel® 718 é bastante lenta em comparação com a das ligas alumínio-titânio. Assim, para a maioria dos tamanhos das peças a liga pode ser aquecida e resfriada nas faixas de temperatura de envelhecimento e velocidades, recomendada mantendo a tenacidade e a ductilidade. O efeito do tempo e da temperatura de envelhecimento na dureza de uma chapa recozida (Fig. 3) ref lete isso. Praticamente nenhum endurecimento ocorre durante os primeiros 2-3 minutos de exposição. É tempo suficiente para permitir o resfriamento ao ar após a soldagem ou recozimento. Em comparação, as ligas alumínio e titânio contendo elementos de liga suficientes para atingir o nível de resistência do Inconel® Industrial Heating
JUL A SET 2019 31
DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO 718 desenvolveriam dureza quase máximo nesse mesmo período de tempo. A Solubilização a 925-1010˚C com o correspondente tratamento de envelhecimento é considerado o tratamento térmico ideal para o Inconel® 718, onde uma combinação de vida útil, determinada pela resistência e tenacidade da ruptura em testes de impacto são as principais preocupações. As maiores forças de tração e elasticidade à temperatura ambiente também estão associadas a este tratamento. Além disso, devido ao grão fino desenvolvido, produz a maior resistência à fadiga. Por outro lado, a solubilização a 1040-1065˚C com seu correspondente tratamento de envelhecimento é preferida para aplicações sujeitas a baixas tensões, porque produz a melhor ductilidade em seções transversais pesadas, resistência à tração e resistência ao impacto a baixas temperaturas. No entanto, esse tratamento tem uma tendência a produzir fragilidade em testes de impacto. [6] Ajustando os ciclos [1,5,6,8,9] As propriedades ideais nem sempre são alcançadas pelo primeiro tratamento térmico de recozimento por solubilização e envelhecimento. Alterações nos tempos e temperaturas de solubilização ou envelhecimento, a realização de um tratamento intermediário (estabilizador), ou um terceiro tratamento de envelhecimento, são comuns. Por exemplo, para obter a melhor combinação de alta resistência à tração, alta fadiga e vida útil para uso em aplicações aeroespaciais (muitas vezes referidas como 718 de alta resistência), como peças rotativas, pás de turbinas,
32 JUL A SET 2019
Industrial Heating
rolamentos e elementos de fixação, um tratamento térmico um pouco mais complexo é recomendado. • Encharque por uma hora a 955-980˚C, seguido de resfriamento, reaquecimento e manutenção por 8 horas a 720˚C, seguido de resfriamento controlado (a 56˚C / h) até 620° C, mantendo-se por 8 horas, seguido de resfriamento ao ar até a temperatura ambiente. Para obter melhor resistência ao impacto, resistência ao impacto a baixa temperatura e dureza mais baixa (40 HRC) (Tabela 1) para uso em aplicações de tapa buraco (frequentemente referido como API 6A 718) para peças como válvulas de gaveta, hastes de estrangulamento, fixadores cabides e tubos, é necessário um tratamento térmico diferente. • Encharque por 1-2 horas a 1065°C, seguido de resfriamento ao ar e, em seguida, reaqueça e mantenha por 8 horas a 720°C, deixe esfriar à reação de 56°C / hora até 620°C, mantenha por 8 horas e deixe esfriar ao ar até a temperatura ambiente. Sumário Com a demanda por Inconel® 718 e outras superligas aumentando para muitas aplicações, o tratador térmico deve primeiro entender as características de desempenho desejadas pelo cliente e, em seguida, estar preparado para conceber receitas e estratégias de tratamento térmico para maximizar a resposta da liga a esses tratamentos. Tradução gentilmente revisada por Luiz Roberto Hirschheimer, da Hirschheimer Serviços Ltda.
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JUL A SET 2019 33
CARACTERIZAÇÃO CARACTERIZAÇÃO&& TESTE TESTEDEDEMATERIAIS MATERIAIS
Avaliação da Qualidade Metalúrgica de Engrenagens Tratadas Termicamente Kelsey Torboli and Henry Udomon – Struers, Inc.; Westlake, Ohio, EUA As engrenagens desempenham as funções críticas de transmissão de potência ou movimento em montagens mecânicas. Para executar essas funções de maneira eficaz, as engrenagens precisam ter certas propriedades que lhes permitam atender aos requisitos de Fig. 1. Fixação para corte de engrenagem complexa qualidade especificados.
O
s fabricantes de engrenagens e os engenheiros de projeto geralmente designam “qualidade da engrenagem” com base no chamado número AGMA (American Gear Manufacturers Association – Associação Americana dos Fabricantes de Engrenagens) de qualidade da engrenagem. Embora esse número forneça uma indicação da precisão geométrica dos dentes da engrenagem, ele não fornece informações sobre a solidez metalúrgica da engrenagem. Portanto, o Manual de classificação e inspeção de engrenagens ANSI / AGMA 200 A88 também fornece especificações para o tipo de material e o processo de tratamento térmico a ser usado na fabricação de engrenagens. A engrenagem tratada termicamente neste estudo foi avaliada com base em sua microestrutura e seus valores de dureza desde a superfície endurecida até o núcleo mais macio. Seleção de Materiais e Processos de Tratamento Térmico Um bom ponto de partida na fabricação de engrenagens é a seleção de um material de engrenagem apropriado: materiais não-ferrosos ou plásticos para engrenagens de movimento e aços ou ferros fundidos para engrenagens de transmissão de energia. Isto é seguido pela seleção cuidadosa de um tratamento térmico adequado e condições do processo que fornecerão a microestrutura correta que, por sua vez, permitirá que a engrenagem alcance certas propriedades que garantem seu desempenho satisfatório. O tratamento térmico é um componente crítico 34 JUL A SET 2019
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da fabricação de engrenagens, representando cerca de 30% dos custos de fabricação. Diferentes processos de tratamento térmico são usados na fabricação de engrenagens, dependendo do uso final pretendido. Por exemplo, enquanto o recozimento e a normalização são usados para amolecer a engrenagem, outros como cementação, nitretação, carbonitretação etc. são usados para endurecer a engrenagem. Qualquer um desses processos pode ser adaptado para alcançar os resultados finais desejados, modificando os parâmetros do processo, como temperaturas e atmosferas do forno, tempos de ciclo, meios de têmpera, ciclos de têmpera, etc. superfícies resistentes, mantendo um interior relativamente resistente e dúctil. Assim, propriedades metalúrgicas como estrutura martensítica e propriedades físicas como dureza da superfície, profundidade da camada e dureza do núcleo podem variar bastante, dependendo do tipo de processo de tratamento térmico usado e de quão bem os parâmetros do processo são controlados. A engrenagem examinada neste estudo era uma engrenagem helicoidal que tinha sido endurecida na superfície por cementação. Avaliação da Qualidade Metalúrgica Para verificar se as engrenagens foram adequadamente tratadas termicamente, muitas empresas realizam metalografia. A metalografia inclui a preparação de amostras e avaliação da estrutura verdadeira. A estrutura verdadeira fornece um entendimento preciso
CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS
Fig. 2. Engrenagens helicoidais seccionadas
Fig. 4. Teste de dureza automatizado da engrenagem
dos confiáveis de teste de dureza. Ao executar apenas uma etapa de retificação grossa, a amostra pode mostrar leituras artificialmente altas de dureza. Cargas com dureza mais baixa exageram esse problema, portanto, a preparação da amostra é crítica para os testes de microdureza. 25µm
25µm
Fig. 3. Microestrutura da superfície e núcleo da engrenagem endurecida
da microestrutura do material e, portanto, propriedades mecânicas e adequação à aplicação pretendida. Preparação de Amostra Em quase todos os tipos de exames, uma pequena amostra deve ser seccionada da parte maior. Devido à geometria complexa da engrenagem, várias ferramentas de fixação foram utilizadas para fazer a série de cortes (Fig. 1). A engrenagem foi isolada da montagem e depois cortada em seções em forma de torta. As cunhas de 30 graus foram seccionadas ainda mais para caber dentro de uma montagem de 2 polegadas de diâmetro (Fig. 2). A resina de montagem utilizada foi escolhida por sua resistência ao desgaste. Idealmente, a taxa de remoção do material da amostra e da resina de montagem deve ser equivalente para garantir uma amostra perfeitamente plana com retenção máxima da borda. Após a montagem, as engrenagens endurecidas foram submetidas a retificação plana, retificação fina e polimento. Entre cada etapa de preparação, as amostras foram cuidadosamente limpas usando um limpador ultrassônico para remover abrasivos, lubrificantes e partículas do material da amostra que poderiam causar contaminação cruzada dos panos de preparação. A preparação repetida da amostra é necessária para da-
Microestrutura As montagens preparadas foram atacadas com 5% de nital para expor a microestrutura. Um microscópio com iluminação de campo claro foi utilizado para capturar imagens da superfície atacada. A camada endurecida da amostra mostrou uma microestrutura martensítica, enquanto o núcleo mostrou uma microestrutura de ferrita / perlita (Fig. 3). Durante o ciclo de têmpera de um tratador térmico, o aço é aquecido o suficiente para formar uma microestrutura austenítica e resfriado para impedir que uma microestrutura normalizada se forme. A austenita se transforma em martensita devido ao rápido processo de resfriamento. Essa microestrutura temperada é uma estrutura sem equilíbrio e, como tal, produz a dureza mais alta possível para o tipo de aço utilizado. Um efeito colateral dessa microestrutura muito dura é uma ductilidade muito baixa, o que significa que existe um alto potencial de fratura se usado de maneira incorreta. Idealmente, o aço utilizado pode ser processado de tal maneira que apenas a superfície do material esfrie rápido o suficiente para formar essa estrutura martensítica e o núcleo esfrie lentamente o suficiente para permitir a formação de uma estrutura mais normalizada. Essa situação ideal alcançará uma superfície dura com suas propriedades de desgaste atraentes associadas, mantendo a ductilidade e a resistência do núcleo para adicionar resistência ao componente. Industrial Heating
JUL A SET 2019 35
Hardness, HV0.5
CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS
800 750 700 650 600 550 500 450 400 0.15
0.35
Tip Left midpitch
0.55
0.75
0.95
Right midpitch Left root
1.15 Right root Hardness limit
Fig. 5. Medições eficazes da profundidade da camada
Fig. 6. Mapa de cores do dente da engrenagem
Em um processo de cementação sob atmosfera, a amostra é aquecida em um ambiente rico em carbono até um ponto em que a estrutura austenítica permitirá que carbono adicional se difunda na superfície devido à maior solubilidade em carbono da austenita. Uma têmpera nesse ponto impedirá que o carbono se espalhe de volta e o prende no lugar, formando uma estrutura de não equilíbrio. A camada de alto carbono e seu alto valor de dureza subsequente melhoram a resistência ao desgaste. A microestrutura de baixo carbono e os baixos valores de dureza correspondentes no núcleo permitem que o material retenha sua ductilidade e resistência. Essas são características ideais para um dente de engrenagem.
camada (Fig. 5). Os resultados de profundidade da camada são críticos para entender a vida útil por fadiga do equipamento. A profundidade da camada deve ser adequadamente profunda para lidar com a carga aplicada ao dente da engrenagem. Uma camada muito rasa levará a pittings, enquanto uma camada muito profunda pode fazer com que a ponta se solte do dente. A profundidade ideal da camada está relacionada ao tamanho do dente. Dentes de engrenagem maiores requerem camadas mais profundos para lidar com a aplicação de carga. Além das travessias de profundidade da camada, mapas de dureza foram criados a partir das amostras dos dentes da engrenagem. Uma matriz de recuos foi jogada no dente da engrenagem e os valores de dureza resultantes foram exibidos como um mapa de cores (Fig. 6). O mapa de dureza pode incluir mais de 500 identações e levar muito tempo para o uso rotineiro de tratadores térmicos de alto volume. No entanto, os mapas de dureza provaram ser úteis no desenvolvimento de novos processos de tratamento térmico ou na execução de outras tarefas de P&D. Valores altos de dureza foram mostrados nas cores vermelho e laranja, e valores baixos de dureza foram mostrados nas cores azul e verde. O mapa de dureza é uma maneira útil de visualizar as alterações na dureza através da amostra, desde a camada martensítica até o núcleo de ferrita / perlita.
Teste de dureza O teste de dureza foi escolhido para avaliar as propriedades do material e verificar se o tratamento térmico produziu a profundidade correta da camada. Como as amostras dos dentes da engrenagem foram montadas, foi utilizado o teste Vickers de 500 gramas de força. A montagem foi fixada em um suporte de amostra para garantir a perpendicularidade entre o indentador e a superfície e para evitar flexões sob a aplicação de carga do indentador. Um testador de dureza Vickers automatizado foi usado para configurar múltiplas travessias perpendiculares à superfície (Fig. 4). O ASTM E92 fornece recomendações para tempo de espera, espaçamento entre recuos e forças de teste. Múltiplas linhas de indentações foram executadas na ponta, no meio do passo e na raiz de cada dente da engrenagem, com um tempo de permanência de 10 segundos por indentação. A linha da ponta mostrou a profundidade efetiva da camada mais profunda, enquanto os percursos do meio e da raiz apresentaram valores equivalentes da profundidade da 36 JUL A SET 2019
Industrial Heating
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Perfil de Temperatura Através do Processo para Eficiência de Tratamento Térmico Steve Offley - PhoenixTM Ltd; Reino Unido Para qualquer pessoa envolvida em aquecimento industrial, uma necessidade crítica de qualquer processo de tratamento térmico é a capacidade de medir e controlar a temperatura do processo e do produto.
O
controle de temperatura da aplicação de tratamento térmico é crítico para as características metalúrgicas e físicas do produto final e, portanto, sua capacidade de desempenhar sua função pretendida. Alcançar a temperatura máxima correta do produto, tempo na temperatura (encharque) e taxa de variação da temperatura (têmpera) podem ser essenciais não apenas para a qualidade do produto, mas também para a eficiência (uso de energia e produtividade) do processo. Apesar do fato de que os fornos modernos agora são fornecidos com sistemas de controle sofisticados, eles ainda não são capazes de realmente dar uma imagem precisa do processo de tratamento térmico a partir de uma perspectiva de produto. Sensores de temperatura posicionados ao longo do forno fornecem apenas um instantâneo do que a temperatura ambiente está naquele ponto específico do forno. Controladores de fornos, como o nome sugere, podem dar confiança de que o aquecimento é realizado de maneira controlada, mas nunca fornecem uma visão precisa de qual é a temperatura real do produto. Os pirômetros de infravermelho (IR – Infra Red) e os termovisores podem fornecer medições de temperatura da superfície, mas requerem uma linha de visão e, portanto, limitam as áreas do produto que podem ser medidas. Produtos carregados no fundo de uma cesta, por exemplo, podem ser impossíveis de medir com precisão. Sem modelagem mate-
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Fig. 2. Sistema de perfil de temperatura através do processo que entra em um forno de cementação a gás com resfriamento de óleo integrado. A barreira térmica que protege o registrador está contida com segurança dentro de uma cesta de produtos, juntamente com os produtos que estão sendo monitorados. O sistema viaja com segurança através do forno e depois do resfriamento do óleo para fornecer um perfil térmico completo do forno e do produto
mática sofisticada, a temperatura da superfície, embora útil, não fornecerá informações sobre a temperatura central, que é a mais crítica na maioria das situações. Assim como os sensores de ar são fixos, os sensores IR normalmente fornecem informações apenas na localização específica do forno, o que evita o cálculo preciso dos tempos de encharque em temperaturas críticas. Sem informações adicionais, os tempos de encharque e as temperaturas podem precisar ser estendidos bem além do alvo para garantir que o processo de tratamento térmico seja concluído com confiança, mas com um óbvio comprometimento de rendimento e conservação de energia.
Fig. 1. Registrador de temperatura típico (até 20 entradas de termopar) usado no sistema “através do processo”. Protegido por uma barreira térmica, o registrador viaja através do forno com o produto sendo monitorado.
CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO
Perfil de Temperatura do Produto Para entender completamente as características operacionais do processo de tratamento térmico, é necessário medir continuamente o ambiente e a temperatura do produto à medida que ele passa pelo processo. Essa técnica
fornece o que é referido como um “perfil de temperatura”, que é basicamente uma impressão térmica para esse produto naquele processo específico do forno. Esta impressão digital térmica será única, mas permitirá a compreensão, controle, otimização e validação do processo de tratamento térmico.
O Verdadeiro Valor do Perfil de Temperatura do Processo Através do Forno Descobrir o perfil de temperatura de qualquer processo de tratamento térmico fornece ao usuário o potencial de fazer uma diferença significativa nas capacidades operacionais de sua empresa, conforme detalhado aqui.
Qualidade do Produto Confirme com precisão se o produto atinge as condições de temperatura corretas necessárias para realizar o processo de tratamento térmico (homogeneização, cementação, revenimento, etc.). Verifique as características físicas do material para o uso pretendido. Evite rejeições dispendiosas ou retrabalho, incorrendo em energia desperdiçada por alto consumo de combustível, de mão de obra e forno. Fig. 3. Perfil de temperatura típico obtido do sistema através de processo (thru-process). O gráfico da temperatura versus tempo mostrado é para um processo típico de tratamento térmico de solubilização T6, completo com resfriamento em água e endurecimento por envelhecimento Tabela 1. Benefícios do monitoramento da temperatura através do sistema “através do processo” sobre a metodologia tradicional de termopares de arraste Termopares de Arraste
Através de processo
Número de medições
Limitado a 1 ou 2 com segurança
Até 20
Operador necessário durante a execução
Essencial para permitir a transferência segura de cabos através do forno
Não é necessário (o sistema viaja independentemente como se fosse o produto)
Comprimento do cabo
Comprimento mínimo do forno (custo / risco de dano)
Curto (normalmente alguns metros)
Cabo preso / risco de danos
Potencial devido ao comprimento. As portas automáticas do forno podem precisar ser substituídas para evitar que o cabo fique preso / danificado
Mínimo
Paralisação da produção
Sim, forno vazio necessário (recuperação da sonda após a execução)
Não, usado durante a produção
Representa verdadeiramente condições de produção
Não, o forno pode precisar estar vazio
Sim, realizado durante a produção
Carregamento de produtos por robô
Não é viável
Possível (Fig. 4)
Múltiplas etapas do processo (forno, têmpera, etc.)
Difícil se para todas as etapas
Possível (Fig. 3)
Segurança
Operadores próximos ao forno para alimentar termopares
Sem problemas
Custo
Termopares longos caros para substituir. Risco de substituição regular
Custo de investimento inicial do sistema
Solução de Problemas Quando ocorrem problemas de processo, eles têm os meios para identificar problemas de fornos de maneira rápida e eficiente. Colete dados precisos para identificar a causa raiz e permitir uma ação corretiva confiável. Prove o sucesso de qualquer estratégia de correção de processo. Quanto custa uma hora de produção perdida?
Processo Otimizado Maximize a produtividade e a eficiência do seu processo. Ajuste as temperaturas do setpoint e os tempos de imersão com confiança. Considere o que uma redução de 10˚C na temperatura do ponto de ajuste do forno ou redução do tempo de imersão de 10% poderia resultar em sua conta anual de energia e produtividade da linha.
Conformidade Regulatória Forneça a certificação de validação de processo (perfil de produto ou TUS) necessária para comprovar a conformidade com o CQI-9, ASM 2750E ou outros padrões de qualidade. Prove aos seus clientes a qualidade do produto que você oferece. Industrial Heating
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CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO
A medição do perfil de temperatura do produto foi historicamente realizada por um de dois métodos. A abordagem básica mais tradicional tem sido aplicar o princípio conhecido como “termopares de arraste”. Um termopar muito longo é preso ao produto e alimentado manualmente pelo forno à medida que o produto passa. O registrador de dados medindo a leitura da temperatura em tempo real é mantido externo ao forno. Embora possível, essa técnica é limitada nas informações fornecidas e apresenta muitos obstáculos práticos (Tabela 1). Uma abordagem alternativa aos termopares de arraste é a aplicação do “perfil de temperatura através do processo”. Em contraste com os termopares de arrasto, o registrador de dados viaja com o produto através do forno. O registrador de dados (Fig. 1) é protegido por um invólucro, chamado de barreira térmica, que mantém o registrador em uma temperatura operacional segura (Fig. 2). As leituras de temperatura gravadas pelo registrador de dados a partir de vários termopares de comprimento curto podem ser recuperadas após a execução. Alternativamente, os dados podem ser lidos em tempo real à medida que o sistema passa pelo forno, usando uma opção de comunicação de telemetria por RF de duas vias, se possível. O gráfico resultante do perfil de temperatura (Fig. 3) fornece uma visão abrangente do processo térmico.
Fig. 4. Carregamento de um bloco do motor combinado com o sistema “através de processo” por um robô em um forno T6 rotativo BSN. A barreira térmica é projetada com uma combinação de tecnologia de isolamento térmico capaz de se encaixar na cavidade do bloco do motor. Com uma capacidade de proteção térmica de 550 °C por várias horas, o sistema tem a capacidade de monitorar o processo T6 completo, incluindo solubilização de reaquecimento, resfriamento e envelhecimento (cortesia BSN Thermoprozesstechnik GmbH Alemanha) 40 JUL A SET 2019
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Técnicas de Perfil de Temperatura - Prós e Contras Para destacar os benefícios do perfil de temperatura “thru-process” (através do processo) sobre os termopares de arraste, consulte a Tabela 1. Soluções de Sistema Através de Processos para Desafios de Tratamento Térmico Forno de Soleira Rotativa com Carregamento por Robô – Solubilização T6 de Blocos de Motor em Alumínio Em fornos rotativos modernos como o mostrado na Figura 4, o perfil de temperatura usando termopares de arraste é impossível porque os cabos acabariam enroscados no mecanismo de transferência do forno. Devido ao carregamento e descarregamento do robô central e à eliminação dos suportes / cestos de carga (as garras colocam o componente diretamente na abertura do forno), o uso de um sistema convencional “thru-process” também é um desafio. Para superar as restrições de carga, a PhoenixTM desenvolveu com exclusividade, uma barreira térmica pequena o suficiente para caber dentro da cavidade do bloco do motor permitindo o carregamento automatizado do sistema e do produto de monitoramento combinados completos. O sistema permitiu à BSN Thermoprozesstechnik GmbH, na Alemanha, comissionar o forno com precisão e eficiência, otimizando assim as configurações para não apenas alcançar a qualidade do produto, mas também para garantir uma produção eficiente em termos de custos e energia. Validação do Modelo Matemático do Controlador de Forno de Reaquecimento de Placas e Tarugos Embora modernos fornos de reaquecimento de placas e tarugos tenham controladores sofisticados, é essencial que seus modelos matemáticos sejam validados com dados precisos de perfil de temperatura real do produto. Os sistemas “thru-process” estão disponíveis para fornecer esses dados, oferecendo até 20 entradas de termopar. Isso permite que as temperaturas sejam medidas na superfície, centro e base do produto em várias posições ao longo de seu comprimento. Os dados de perfil de temperatura resultantes podem ser importados diretamente para o modelo de controlador de forno para validar a seleção correta de parâmetros de processo e suposições aplicadas. Passando pelo forno de reaquecimento atingindo temperaturas de até 1300 °C, o registrador de dados requer proteção térmica significativa. Essa proteção é fornecida pela barreira térmica especialmente projetada. Fabricado com
CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO
za energia e maximiza o rendimento da produção. Alega-se que o uso de dados de perfil de temperatura através do sistema “thru-process” para otimizar a operação do forno resulta em economia de energia na região de 5%. Tais níveis de economia de energia proporcionam um retorno sobre o investimento para o sistema de perfil de algumas semanas, se não dias.
Fig. 5. Sistema thru-process instalado pronto para passar pelo forno de reaquecimento. A barreira térmica fornece proteção de 3,2 horas a 1300 °C. Ele é carregado em um painel de vigas de aço fundido, que é reaquecido antes de ser laminado em estruturas metálicas para edifícios / arranhacéus. O registrador de dados no núcleo do sistema armazena os dados medidos pelos termopares inseridos no espaço em branco em diferentes profundidades ao longo de seu comprimento
camadas de isolamento como se fossem mantas e um tanque de água interno evaporativo, a evaporação gradual da água mantém a temperatura do registrador a uma temperatura segura de 100 °C. Aplicando dados de perfil precisos a modelos matemáticos, as temperaturas de saída do laminador de desbaste direcionadas podem ser definidas para obter uma temperatura desejada de saída do forno em toda a espessura do produto. O controle preciso de tais variáveis permite uma operação de laminação com sucesso, com o mínimo de formação de carepa, o que maximiza os rendimentos do laminador, economi-
Resumo O perfil de temperatura através do sistema “thru-process” fornece ao tratador térmico atual um meio seguro e eficiente de medir com precisão a temperatura do forno e do produto durante todo o processo de tratamento térmico. Com essas informações, o engenheiro pode entender, controlar, otimizar e validar o processo que está sendo realizado com confiança. O engenheiro pode não só garantir a qualidade do produto e melhorar a produtividade, como também pode realizar um ajuste fino preciso dos parâmetros do forno para obter economia potencial de energia. Tradução gentilmente revisada por Ivan Siqueira, da PhoenixTM Brasil Ltda.
PARA MAIS INFORMAÇÕES: Para mais informações: Contate Dr. Steve Offley, gerente de marketing de produto, Phoenix Temperature Measurements (PhoenixTM Ltd. U.K.); tel: +44 (0) 1353 223100; e-mail: steve.offley@phoenixtm.com; web: www.phoenixtm.com. Contate Ivan Siqueira, engenheiro da PhoenixTM Brasil Ltda. Tel. (11) 2081-1237; e-mail: phoenixtm@phoenixtm.com.br; web: www. phoenixtm.com.br.
VII Seminário Processos de Tratamentos Térmicos
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TRATAMENTO TÉRMICO
Projeção de uma Taxa de Estanqueidade em Forno a Vácuo com Base no Nível Inicial de Pressão de Bombeamento e Vazamento Reàl J. Fradette – Solar Manufacturing Inc.; Souderton, Pa. William R. Jones – Solar Atmospheres Inc.; Hermitage, Pa.
Fig. 1. Forno a vácuo padrão (HFL-3638) com uma zona quente de trabalho de 24 x 24 x 36 polegadas
Os fornos a vácuo incorporam vários tipos de bombas de vácuo para atingir um certo nível de vácuo na produção de peças livres de contaminação.
O
projeto e o volume geral do forno determinam o rendimento necessário do sistema de bombeamento e o vácuo final esperado. Os processos que exigem um vácuo profundo de 1x10-4 Torr ou menos são executados em um forno que integra uma bomba de difusão de alto rendimento em série com uma bomba de vácuo parcial e uma bomba Roots. Taxa de Transferência do Sistema de Bombeamento Relacionada à Taxa de Vazamento do Forno Usando os dados de taxa de transferência relatados da bomba de difusão com algumas suposições básicas da teoria do vácuo, uma curva de aproximação simples pode prever a relação entre a pressão mínima de bombeamento (pressão em branco) antes do processamento e a resultante taxa de vazamento do forno (taxa de 42 JUL A SET 2019
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aumento). Especificações e Procedimentos da Taxa de Aumento da Taxa de Vazamento
Para estar em conformidade com a especificação AMS 2769B, Tratamento Térmico de Peças no Vácuo, os fornos a vácuo devem estar abaixo das taxas de vazamento máximas aceitáveis ao tratar
Tabela 1. Classificação da AMS 2769B para materiais diferentes e taxas aceitáveis de vazamento Materiais da classe 1: 50 mícrons / hora ou menos
Materiais da classe 2: 20 mícrons / hora ou menos
Aços carbono e ligas
Superligas a) Ligas de níquel b) Ligas de cobalto
Aços resistentes à corrosão Endurecimento por precipitação Aços Ferramenta a) Endurecimento do ar b) Trabalho a frio c) Trabalho a quente d) Alta velocidade (série M) e) Alta velocidade Ligas de Cobre
Materiais da classe 3: 10 mícrons / hora ou menos
Ligas de ferro Titânio e ligas de titânio
Metais refratários a) Molibdênio b) Tungstênio
Materiais da classe 4: 5 mícrons / hora ou menos
Metais refratários a) Columbium (nióbio) b) Tântalo c) Zircônio d) Outros metais muito reativos
TRATAMENTO TÉRMICO
Tabela 2. Teste da taxa de vazamento moderna - procedimento básico Procedimento de bombagem
1.00E-3
Forno 3638 5748 6660
Torr
1.00E-4
1.00E-5
1.00E-6
0.1
1
10
100
1000
Microns, hora Fig. 2. Comparação da curva de vazamento preditiva com os dados reais do teste
termicamente determinadas ligas. Conforme declarado na AMS 2769B (Tabela 1), essas taxas de vazamento aceitáveis podem variar de 5-50 mícrons / hora. No mínimo, um teste de vazamento deve ser realizado semanalmente quando um forno está em operação contínua. Um procedimento básico está descrito na Tabela 2. Projeção da Taxa de Vazamento com Base no Bombeamento Inicial, Pressão em Branco Ao projetar um forno a vácuo, a capacidade do sistema de bombeamento a vácuo incorporada ao sistema do forno é baseada nas aplicações e tipos de trabalho esperados a serem processados no forno. Por exemplo, um forno padrão (Fig. 1) com uma zona de trabalho medindo 24 polegadas de largura x 24 polegadas de altura x 36 polegadas de profundidade normalmente incorporaria uma bomba de difusão de 20 polegadas para obter um vácuo na faixa baixa de 10-6 Torr. O rendimento da bomba de difusão indica a capacidade de um sistema constantemente bombeado para manter certos níveis de vácuo, superando os vazamentos existentes no forno. Quando uma câmara de vácuo é constantemente bombeada a uma vazão volumétrica, uma pressão de equilíbrio será alcançada se a vazão for igual à vazão (QL). [1] Portanto, somos capazes de traçar uma taxa de vazamento projetada com base na pressão de bombeamento final, dividindo a taxa de transferência pelo volume da câmara de vácuo. À medida que o vazamento aumenta, a vazão da bomba de vácuo não consegue acompanhar o volume vazado e o vácuo em branco aumenta.
Procedimento de fuga (taxa de aumento)
• Descarregue o forno ou deixe um forno carregado esfriar a 65,5° C ou menos. NOTA: Qualquer carga no forno durante um vazamento estático deve ser sólida. Tubos ou peças com pequenos orifícios podem afetar a taxa de aumento.
• Registre a leitura atual em microns do termopar do medidor de vácuo na folha de registro de vazamento.
• Bombeie o forno para a faixa baixa de 10-5 Torr ou melhor, por no mínimo uma hora. NOTA: Se um forno estiver aberto por longos períodos ou tiver sido executada uma operação de baixa temperatura “suja” antes do vazamento, o tempo de bombeamento pode precisar aumentar.
• Quinze minutos depois, registre o valor do mícron na folha de registro.
• Pare a bomba pressionando a parada do ciclo do processo.
• Subtraia o valor do mícron original do valor atual do mícron e multiplique por quatro para obter uma taxa de aumento por uma hora.
Cálculo do Rendimento da Bomba e da Taxa de Vazamento Usando os dados de vazão do fabricante da bomba e supondo que se a pressão em branco se deteriorar em uma década, a vazão é reduzida em um fator de 10, é possível fazer uma aproximação da taxa de vazamento com base na pressão em branco. Os cálculos baseados em uma bomba de difusão de 20 polegadas para um volume de forno de 238 pés cúbicos são os seguintes. Uma bomba de difusão de 20 polegadas tem uma taxa de transferência de 1 Torr-l / s a um nível de vácuo de 1x10-3 Torr, que pode ser convertido em 127.116 mícrons-pé3 / hora. Se a taxa de vazamento for igual a: QL (taxa de vazamento) = (Δp⋅V) / Δt (Eq. 1) V - volume do forno Δp - alteração da pressão durante o teste de vazamento Δt - alteração no tempo durante o teste de vazamento ROR = Δp / Δt depois QL = ROR * V
(Eq. 2) (Eq. 3)
Se, como mencionado anteriormente, a vazão é igual a QL quando um sistema constantemente bombeado atinge uma pressão estabilizada, então podemos calcular a taxa de aumento (ROR - Rate Of Rise) usando a Equação 4. Industrial Heating
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TRATAMENTO TÉRMICO
1.00E-2
1.00E-2 3638 Predição 5748 Atual 6660 Predita
1.00E-3
1.00E-3
Torr
1.00E-4
Torr
1.00E-4
Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4
1.00E-5
1.00E-5 0.1
1.00E-6 0.1
1
10
100
1000
Taxa de vazamento, mícron / hora
(Eq. 4)
A partir dos dados do HFL-3638 (238 pés3), a taxa de transferência de 1x10-3 Torr é 127.116 mícrons-pés3 / hora. Portanto, a taxa de vazamento, ou ROR, seria: 127.116 mícrons-pés3 / hora / 238 pés3 = 534 mícrons / hora (Eq. 5) Partindo do pressuposto de que uma década de melhoria no nível de vácuo é comparável a uma melhora na taxa de vazamento por um fator de 10, as seguintes taxas de vazamento são previstas e plotadas na Fig. 2. Em 1x10-3 Torr: 534 mícrons / hora Em 1x10-4 Torr: 53,4 mícrons / hora Em 1x10-5 Torr: 5,3 mícrons / hora Em 1x10-6 Torr: 0,53 mícrons / hora Essa previsão sugere que, para que o forno HFL-3638 atenda à especificação AMS 2769B, o forno deve ser capaz de bombear para 1,0x10-5 Torr ou menos para material crítico (Classe 4) que exija uma taxa de vazamento inferior a 5 mícrons / hora. Para material semi-crítico (Classe 2) que requer uma taxa de vazamento de 20 mícrons / hora, o forno deve ser capaz de bombear para 5,0x10-5 Torr ou menos. A classe 1 (taxa de vazamento menor que 50 mícrons / hora) requer uma bomba de até 1,0x10-4 Torr ou menos. Comparando uma Taxa de Vazamento Real com a Projetada Para confirmar a precisão de nossa taxa de vazamento 44 JUL A SET 2019
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10
100
1000
1.00E-6 Taxa de vazamento, mícrons / hora
Fig. 3. Curva de vazamento preditiva para três diferentes fornos / combinações de bombas de difusão
ROR = Rendimento / Volume
1
Fig. 4. Uma curva de vazamento generalizada e a pressão de vazamento necessária para atender à AMS 2769B
projetada com base na curva do sistema de bombeamento de difusão especificado, criamos um teste que introduziu propositadamente uma determinada taxa de vazamento. O teste foi realizado em um forno HFL-5748 com uma zona de trabalho de 36 polegadas de largura x 36 polegadas de altura x 48 polegadas de profundidade e um volume de câmara de 483 pés3. A linha prevista é mostrada na Fig. 2, juntamente com os dados reais. As pressões forçadas de vazamento foram criadas usando duas válvulas dosadoras em série conectadas à câmara de vácuo, introduzindo assim uma quantidade fixa de ar para simular um vazamento. Com as válvulas da agulha fechadas, o forno foi bombeado para a faixa baixa de 10-6 Torr. As válvulas foram cuidadosamente abertas e a pressão foi deixada estabilizar. Uma vez atingida a pressão de equilíbrio, as válvulas de bombeamento a vácuo foram fechadas e a taxa de vazamento medida como descrito na Tabela 2. Como ilustrado, as curvas projetadas e reais não são exatas devido aos fatores limitados do ambiente de teste. Quando em uso normal, as limitações de bombeamento do forno incluem fatores além dos dados de produção de bombeamento. Por exemplo, se adicionarmos os efeitos de condutância, saída de gás e vazamentos virtuais na análise, a curva preditiva estaria mais próxima da curva real. No entanto, a curva de previsão simplificada ajudará a determinar se o nível em branco alcançado pode ser usado para certos materiais sensíveis. Taxa de Vazamento Projetada com Base na Pressão em Branco, Volume da Câmara, Capacidade de Bombeamento Nossas projeções anteriores foram baseadas em um forno
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(HFL-3638) com uma zona de trabalho de 24 polegadas de largura x 24 polegadas de altura x 36 polegadas de profundidade e uma bomba de difusão de 20 polegadas. O volume da câmara foi calculado em 238 pés cúbicos e a bomba de difusão tem uma velocidade de bombeamento projetada de 17.500 l / s. Um forno (HFL-5748) com uma zona de trabalho de 36 polegadas de largura x 36 polegadas de altura x 48 polegadas de profundidade e uma bomba de difusão de 32 polegadas possui um volume de 483 pés cúbicos. A bomba de difusão para o forno 5748 tem uma velocidade de bombeamento projetada de 32.000 l / s. A adição de uma previsão para um forno modelo HFL6660 com uma zona de trabalho de 48 polegadas de largura x 48 polegadas de altura x 60 polegadas de profundidade (574 pés cúbicos) usando uma bomba de difusão de 35 polegadas com uma velocidade de bombeamento de 48.000 l / s indica que escolher a bomba adequada para o volume fornece linhas de previsão muito semelhantes. Com base nas comparações acima e permitindo ajustes de rendimento, somos capazes de produzir uma curva de projeção de taxa de vazamento genérica que funciona quando um sistema de bombeamento de tamanho adequado é selecionado para um determinado volume de câmara. A curva genérica na Figura 4 serve como um guia de referência rápida ao determinar a pressão máxima em branco permitida para atender aos requisitos de taxa de vazamento do AMS 2769B. Utilizando a curva preditiva genérica para qualquer sistema de bombeamento de forno adequadamente projetado, os requisitos declarados da AMS 2769B são atingidos quando: • Para materiais de classe 1 - 50 mícrons ou menos, a
bomba inicial deve ser de 1,0x10-4 Torr ou melhor. • Para materiais de classe 2 - 20 mícrons ou menos, a bomba inicial deve ser de 4,0x10-5 Torr ou melhor. • Para materiais de classe 3 - 10 mícrons ou menos, a bomba inicial deve ser de 2,0x10-5 Torr ou melhor. • Para materiais de classe 4 - 5 mícrons ou menos, a bomba inicial deve ser de 1,0x10-5 Torr ou melhor. Conclusão Embora a curva de vazão média projetada (Fig. 4) não seja uma ciência exata [2], ela fornece um bom aviso sobre a saúde do forno. Com essa curva, o operador deve poder determinar se pode prosseguir com um ciclo com base na bombagem inicial a vácuo e se a taxa de vazamento projetada indicada é aceitável para a classe de materiais que está sendo processada. Ter este tipo de curva de vazamento projetada para um forno pode reduzir a frequência dos testes de vazamento e melhorar a eficiência do forno. Referências [1] https:// www.pfeiffer-vacuum.com/en/know-how/introductiontovacuum-technology/influences-in-real-vacuum-systems/ desorption-diffusion-permeation-and-leaks/ [2] O medidor de alto vácuo deve estar limpo e calibrado de acordo com a AMS 2769B a cada três meses para que as projeções sejam precisas.
PARA MAIS INFORMAÇÕES: Contate Reàl Fradette, consultor técnico sênior, Solar Manufacturing, 1983 Clearview Road, Souderton, Pa. EUA; tel: +1 267-384-5040; e-mail: real@solaratm.com; web: Solarmfg.com.
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VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE
Os Benefícios da Sinterização a Vácuo (parte 2) Andrea Alborghetti – TAV Vacuum Furnaces SPA; Caravaggio, Itália Muitos fatores entram em jogo durante o processo de sinterização a vácuo, desde o tamanho e os materiais usados na zona quente do forno até os processos de debinding e sinterização serem combinados em uma única unidade. Mas há uma coisa que todas as operações de sinterização precisam considerar: como remover eficientemente os agentes de ligação dos materiais. Fig. 3. Forno de sinterização a vácuo com zona quente toda em metal
E
ste artigo examinará os fundamentos da remoção de ligantes durante operações de sinterização sem risco de contaminação. É importante acertar, e existem várias maneiras de abordá-lo. Vamos começar pensando em um aspecto importante: se queimar ou capturar ligantes uma vez que eles são liberados pelo calor do forno. Capturando ou Queimando? O Que Faz Sentido Para o Seu Forno de Sinterização? Um dos maiores problemas com a nitretação a gás (Fig. 2) é o entendimento de preparação da superfície em termos de limpeza de superfície. Nunca é demais enfatizar a importância da limpeza de superfície no pré-tratamento do aço antes de realizar a nitretação, sendo que esta etapa é essencial para garantir o sucesso do procedimento (Fig. 3). Uma vez que a superfície esteja livre de contaminações, podemos lidar com os problemas no procedimento do processo. Quando agentes de ligação são gerados durante a sinterização, eles podem ser descartados de duas maneiras: capturando ou queimando. Ambos têm seus pontos fortes e fracos, e um método pode ser particularmente útil em certas situações. A primeira coisa a levar em consideração é a pressão. A sinterização pode ocorrer a uma pressão menor que a atmosférica (parcial) ou pode ser realizada em condições de sobrepressão leves. O nível de pressão em um forno determina em grande parte o tipo de método de remoção
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do ligante. Se um forno de sinterização usa pressão parcial, quaisquer gases criados durante o processo precisam ser bombeados para longe do material que está sendo sinterizado. Nessas situações, o vapor aglutinante bombeado deve ser impedido de entrar na bomba, e isso só pode ser conseguido usando um condensador. Um queimador ainda pode estar presente após a bomba, mas sua finalidade não é descartar o ligante, mas os gases inflamáveis usados no processo. As coisas são muito diferentes se a sinterização é realizada sob condições de sobrepressão. Se esse for o caso, os usuários têm uma opção de métodos de remoção de ligante. Por um lado, a condensação e a captura podem ser apropriadas. A condensação pode ser realizada com taxas de fluxo de gás variáveis e porcentagens de ligante, por isso é uma opção flexível. Mas vem com uma pegadinha. Os condensados ainda precisam ser capturados e descartados, o que aumenta os custos em cima do processo de sinterização. Onde os custos de mão-de-obra e descarte são um problema, os agentes vinculados a queimadas podem ser o caminho certo a seguir. No entanto, isso também tem seus possíveis problemas. Em um nível mecânico, é vital configurar o queimador de forma eficiente para que os ligantes não se condensem antes de chegarem ao queimador. Às vezes, pode haver um desequilíbrio entre a taxa de fluxo de gás e a capacidade do queimador de processar
VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE
Fig. 1. Forno de sinterização a vácuo (T 50-50-75) com armadilha de ligantes resfriada a água
Fig. 2. Forno de sinterização a vácuo (THS 30-30-45) com caixa MIM e sifão de ligantes resfriado a água
gás, portanto, isso precisa ser monitorado com cuidado. E quando materiais com uma porcentagem de aglutinante muito alta são processados, isso pode levar ao acúmulo de resíduos dentro dos tubos do queimador, aumentando o risco de falha. E, além disso, há o custo de operar um queimador, que deve ser adicionado aos custos gerais do forno. Em alguns casos, os usuários do forno optam por usar os queimadores embutidos em seus fornos a vácuo para remover os gases ligantes em vez de investir em mecanismos adicionais de remoção. No entanto, as chamas encontradas nas saídas do forno de sinterização a vácuo são geralmente destinadas a uma finalidade específica: evitar que o acúmulo de hidrogênio no ambiente elimine o risco de explosão. Eles não são projetados para filtrar as emissões para remover gases tóxicos ou para remover eficientemente agentes debinding do forno. É por isso que faz sentido instalar uma câmara de combustão especializada para lidar com os gases de ligação à medida que são liberados. Essas câmaras podem ser precisamente calibradas para diferentes taxas de fluxo de gás e porcentagens de ligante junto com o período de incineração correto necessário para oxigenar o aglutinante.
materiais têm variados pontos de liquefação e temperaturas de solidificação, portanto, eles criam resíduos líquidos ou sólidos quando a condensação é removida antes de os ligantes atingirem a câmara de captura (evitando, assim, bloqueios de tubulação ou falhas nas válvulas). Devido a isso, a tubulação e os componentes no condensador precisam ser adequadamente aquecidos, mantendo os ligantes a uma temperatura constante antes que eles atinjam a unidade de condensação. Esses condensadores tendem a ter condutos largos para capturar resíduos sólidos. Isso pode limitar a eficiência de sua troca de calor. Como os aglutinantes que eles usam se condensam facilmente, no entanto, os condensadores de resíduos sólidos não tendem a precisar de uma grande área de superfície ou requerem uma operação a baixa temperatura. Mas eles exigem limpeza, e isso é um elemento-chave de um sistema de resíduos sólidos. Resíduos sólidos podem ser aquecidos, liquefeitos e removidos automaticamente, ou podem ser removidos manualmente. Idealmente, o primeiro sistema seria usado porque pode ser mais rápido e exigir menos trabalho. Se o processo de sinterização criar resíduos líquidos, o condensador provavelmente será muito mais simples. Uma área de superfície grande e resfriada é necessária para converter o máximo de ligante possível no menor tempo possível. Eles tendem a ser direcionados para baixo, levando a um recipiente coletor removível, e podem incluir filtros para remover partículas de poeira também. A automação é muito mais fácil de implementar com condensados líquidos, o que geralmente torna esse tipo de condensador muito mais eficiente.
Como Escolher o Condensador Certo Para o Seu Forno a Vácuo Se você tomou a decisão de instalar um condensador para atender às suas necessidades de remoção de fichário, é essencial fazer a escolha certa. A questão mais importante aqui é se você vai para unidades de condensação líquidas ou sólidas. A escolha que você faz será determinada pela composição química das pastas que você usa. Esses
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Fig. 4. Zona quente da caixa MIM de molibdênio
Escolha o Melhor Sistema de Remoção de Vapor Ligante Quando você tiver escolhido o tipo certo de condensador, mais uma tarefa permanece antes que o seu forno de sinterização a vácuo esteja pronto para operar. Mencionamos anteriormente que o processo de sinterização gera vapor a partir dos ligantes, juntamente com resíduos sólidos ou líquidos. Nós sabemos o que acontece com esses resíduos. Mas o que pode ser feito com o vapor ligante? Os gases bombeados da câmara passam pelo condensador antes de atingir as bombas de vácuo. Idealmente, todo o vapor deve ser condensado antes de chegar às bombas, mas isso não é necessariamente o caso. Mesmo que o seu condensador esteja funcionando com 100% de eficiência, ainda pode haver alguns resíduos de dissociação para lidar. É possível capturar esses resíduos antes que eles entrem na bomba em um sistema de captura úmida, que se assemelha à lavagem de emissões usada em 48 JUL A SET 2019
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usinas de energia. Mas esta é uma solução cara e coloca problemas relacionados à retro-difusão de resíduos de volta à câmara de vácuo. Isso significa que algum vapor aglutinante pode realmente atingir a bomba de vácuo, e é crucial que a bomba seja adequadamente escolhida para lidar com esse problema, a fim de aumentar sua vida útil. Isso pode ser conseguido tentando evitar a condensação de vapor dentro da bomba ou removendo os resíduos de condensação da bomba. Como você pode evitar a condensação? Existem basicamente duas maneiras. O primeiro método envolve pressão de modulação. Ao adicionar uma válvula de lastro de gás à bomba, os usuários podem garantir que a válvula de escape se abra antes que a condensação comece, protegendo a bomba contra contaminação. É claro que, se o gás que está sendo bombeado pode ser inflamado, o lastro de gás deve ser alimentado com gás inerte para evitar risco de explosão dentro da bomba. O outro método envolve temperatura. Bombas com maior temperatura de trabalho são menos propensas a promover a condensação de vapor e, portanto, são mais adequadas para este tipo de processo. É interessante que tais bombas são geralmente mais baratas e menos sofisticadas do que bombas de alta qualidade, nas quais uma temperatura mais baixa é alcançada para reduzir o fluxo de óleo na câmara de vácuo. Um cenário completamente diferente é quando é permitido o vapor condensar e é então removido. Neste caso, bombas secas devem ser usadas. Mais uma vez, nem todas as bombas secas são adequadas. A melhor opção é uma bomba que inclui um “kit de limpeza”, que periodicamente isola a bomba do processo e literalmente a lava. Considerações Finais Para Configurar Uma Operação de Sinterização Escolher o condensador correto e o sistema de remoção de gás do ligante é uma parte essencial do ajuste de um forno de sinterização que funcione adequadamente, mas eles precisam ser colocados em uma perspectiva mais ampla a fim de compreender qual tipo de forno instalar. Por exemplo, você pode estar preocupado com a reatividade de certas substâncias, como o titânio, com oxigênio e achar que um forno de alto vácuo é o caminho a percorrer. É possível atingir um nível de vácuo de 1x106 mbar, e é verdade que altos aspiradores podem reduzir drasticamente o risco de reatividade com gases ligantes. Mas
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esse nível de vácuo não é realmente crucial. O custo e a complexidade de manter altos níveis de vácuo não são necessários. Em vez disso, os sistemas de bombeamento descritos aqui e o uso de sequências de limpeza curtas com gases inertes podem lidar com problemas de oxidação na grande maioria dos casos. O mesmo se aplica à alta pressão. A sinterização geralmente não requer níveis de pressão muito altos para ser bem-sucedida (além dos casos em que a sobrepressão é necessária para fazer com que os gases entrem ou saiam da câmara). No entanto, isso não se aplica em todos os casos. Mais importante, alguns materiais requerem o uso de um processo de prensagem isostática a quente (HIP - Hot Isostatic Pressing) diretamente após a sinterização. O HIP exige altas pressões que variam de 30 a 150 bar e reduz drasticamente a porosidade dos materiais manipulados aumentando sua densidade. Assegure-se de que você faça o investimento direito da sinterização do vácuo. Tanto o processamento HIP quanto o alto vácuo aumentam os custos do forno de sinterização e não são
necessários em todos os casos. Por isso, é importante ter clareza sobre seus próprios requisitos precisos e evitar gastos excessivos no forno de sinterização a vácuo. Mas é igualmente importante investir sabiamente nos principais elementos do forno. Desde o isolamento correto da zona quente até a obtenção de uma bomba rotativa de fácil limpeza e eficiência, muitos fatores diferentes precisam ser balanceados. Ao fazer o investimento correto nesses sistemas, os usuários podem reduzir custos e cargas de trabalho, aumentando a eficiência e - o mais importante garantir que seus produtos sejam fabricados com sucesso.
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