Revista Industrial Heating - Abr a Jun/ 2020 by SF Editora

BRASIL

Abr a Jun 2019 The International Journal Of Thermal Processing

Abr a Jun 2020

Desenvolvimentos com Plasma no Tratamento de Superfície ÍNDICE

29 Comemorando um Século de Indução 38 Análise do Ciclo Térmico do Aço 440B 44 Projetando Sistema de Têmpera que Controla a Distorção 48 Revenimento de Aços PM de Baixa Liga Tratados Termicamente (Parte 1)

Reed Miller - Uma Carreira de 40 anos A maior e mais conceituada revista da indústria térmica • www.sfeditora.com.br

Na Capa: Engrenagens em condições de nitretação a plasmaConfira na página 33.

29 CONTEÚDO

ABR A JUN 2020 - NÚMERO 47

ARTIGOS 29

Indução

Comemorando um Século de Indução Michael Evans – The Ohio Crankshaft Company; Cleveland, Ohio, EUA

Ajax TOCCO Magnethermic alcançou no mês de Maio deste ano um centenário de fabricação de sistemas de aquecimento por indução, sistemas de fusão, sistemas de solda de alta frequência e fontes de alimentação.

Vácuo & Tratamento de Superfície

Desenvolvimentos do Processamento de Plasma na Tecnologia de Tratamento de Superfície David Pye – Pye Metallurgical International Consulting; Newport News, Va., EUA

Este artigo apresenta informações contidas recentemente em nosso blog online. Como nem todo mundo lê The Experts Speak, queríamos que outros tivessem acesso.

Controle de Processo & Instrumentação

Análise do Ciclo Térmico do Aço 440B Paulo Cezar Souza Junior, João Carmo Vendramim, Rick Fabian França Oliveira – UNICAMP, São Paulo, Brasil

A sustentabilidade e a necessidade legal em reduzir o consumo de combustível, bem como o aumento da confiabilidade e durabilidade dos componentes, faz a indústria automotiva desenvolver sistemas cada vez mais eficientes e menos onerosos à sociedade e ao meio ambiente.

Caracterização & Teste de Materiais

Perguntas Frequentes e Como Soldar Ligas Resistentes ao Calor: Confissões de um Metalurgista Victoria Birk Hill – Metal Processing Institute at WPI; Worcester, Mass, EUA

Peças de aço usadas nas indústrias automotiva, aeroespacial e de equipamentos pesados dependem de tratamento térmico, especialmente a têmpera, para obter as propriedades mecânicas desejadas.

Sinterização & Manufatura Aditiva

Revenimento é uma técnica de tratamento térmico usada para melhorar a resistência, ductilidade e resistência dos aços carbono temperados. O revenimento ocorre por aquecimento do aço abaixo da temperatura crítica, a fim de transformar a estrutura. 4 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

BRASIL

EQUIPE DE EDIÇÃO BRASILEIRA SF Editora é uma marca da Aprenda Eventos Técnicos Eireli (19) 3288-0437 - ISSN 2178-0110 Rua Ipauçu, 178 - Vila Marieta, Campinas (SP) www.sfeditora.com.br Udo Fiorini Publisher, udo@sfeditora.com.br • (19) 99205-5789 Gabrielly Guimel Redação - Diagramação, gabrielly@sfeditora.com.br • (19) 3288-0437 André Júnior Vendas, andre@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437 Iago Emerick Publicidade & Propaganda, iago@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437 Sunniva Simmelink Revisão, sunnivags@gmail.com • (19) 99229-2137

12 DEPARTAMENTOS 06 Índice de Anunciantes 09 Indicadores Econômicos 12 Novidades

ESCRITÓRIO CORPORATIVO NOS EUA Manor Oak One, Suite 450, 1910 Cochran Road, Pittsburgh, PA, 15220, EUA Fone: +1 412-531-3370 • Fax: +1 412-531-3375 • www.industrialheating.com

ÍNDICE DE ANUNCIANTES

Erik Klingerman Group Publisher, klingermane@bnpmedia.com • +1 440-292-7580

Empresa

EDIÇÃO E PRODUÇÃO NOS EUA

Combustol Fornos

2ª capa

www.combustol.com.br

Reed Miller Publisher Associado/Editor - M.S. Met. Eng., reed@industrialheating.com • +1 412-306-4360 Bill Mayer Editor Associado, bill@industrialheating.com • +1 412-306-4350 Brent Miller Diretor de Arte, brent@industrialheating.com • +1 412-306-4356

Contemp

www.contemp.com.br

Delphi

www.delphi.com

Energis8

www.energis8agroquimica.com.br

Grefortec

www.grefortec.com.br

Insertec Fornos Industriais

www.insertc.biz

Kanthal

www.kanthal.com

LMTerm

www.lmterm.com.br

Metalurgia 2020

www.metalurgia.com.br

Portal Aquecimento Industrial

21, 37, 3ª capa

www.aquecimentoindustrial.com.br

Nel Hydrogen

www.nelhydrogen.com.br

TAV Vacuum Furnaces

www.tav-vacuumfurnaces.com

UPC - United Process Controls

www.group-upc.com

REPRESENTANTE DE PUBLICIDADE NOS EUA Kathy Pisano Diretora de Publicidade, kathy@industrialheating.com +1 412-306-4357 Fax: +1 412-531-3375 DIRETORES CORPORATIVOS Rita M. Foumia Recursos Humanos e T.I Michael T. Powell Criação Lisa L. Paulus Finanças Scott Wolters Eventos Vincent M. Miconi Produção Beth A. Surowiec Pesquisa de Mercado As opiniões expressadas em artigos, colunas ou pelos entrevistados são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente a opinião dos editores. 6 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

Pág. Contato

15 CONTEÚDO

ABR A JUN 2020 - NÚMERO 47

COLUNAS 08 Editorial EUA

Uma Carreira de 40 anos

Em Maio último, quando percebi que minha carreira metalúrgica havia começado quatro décadas atrás, decidi dar uma olhada nesta minha atividade de 40 anos nesse campo de atuação. Uma motivação para fazer isso é uma condescendência recente dos Baby Boomers pelas gerações mais jovens, porque não tivemos isso tão difícil quanto eles. Isso pode ser verdade, mas vou deixar você decidir. Minha jornada metalúrgica começou como estagiário em maio de 1980, o verão após o meu segundo ano.

10 Editorial Brasil

Nossa História – Tempos Atuais

O Grupo Aprenda começou na verdade como SF Editora. Não quero me alongar em contar como foi o começo e como chegamos onde estamos hoje, mas o leitor pode ter uma certeza: a trajetória não foi e não está sendo fácil. Por várias causas, basicamente crises brasileiras – desindustrialização – a partir de 2014, econômica – a partir de 2016, e também global – a digitalização, chamemos assim, da informação impressa.

15 Doutor em Tratamento Térmico

Geradores de Gás Endotérmico O pai do gerador de

gás endotérmico era um cavalheiro chamado Norbert K. Koebel, que gostava de dizer a jovens engenheiros como faz o Doutor em Tratamentos Térmicos hoje: “Trate-os bem e eles o tratarão bem”. Ele sabia que o gerador de gás endotérmico era o coração de qualquer operação de

tratamento térmico com atmosfera. Verdade então, verdade agora. Vamos aprender mais.

22 Combustão

Emissões de Materiais Particulados na Combustão A poluição do ar vem se tornando uma das grandes preocupações em todos os países, principalmente nas grandes cidades. Cada vez mais, estudos demonstram o relacionamento entre doenças e poluição atmosférica. Neste artigo será tratada a emissão de material particulado oriundo da queima de óleos combustíveis.

24 Siderurgia

A Reciclagem Siderúrgica de Plásticos em 2020 Já foi comentado aqui, na edição de janeiro-março

de 2012, sobre uma rota para reciclagem de rejeitos de plástico: seu uso como agente redutor e fonte energética na siderurgia. Essa alternativa foi desenvolvida simultaneamente por usinas japonesas e alemãs no final do século passado, quando vários artigos foram publicados sobre esse assunto.

26 Simulação Computacional

Distorções, Trincas e Tensões Residuais Todos nós, profissionais do

setor metalúrgico, sabemos que o nosso objetivo é viabilizar economicamente a empresa para a qual trabalhamos, entre outros. Pra fazer isso, é preciso que a gente busque implementar o estado da arte nas nossas atividades de Engenharia e de produção.

27 Pesquisa e Desenvolvimento

Corrosão:

Oportunidades e Desafios O interesse nesta coluna é

direcionar para as oportunidades de estudos e avanços que são facilmente encontrados nos centros de P&D, abordando os mais diversos métodos protetivos a base de inibidores, revestimentos e proteção catódica ou anódica, modificadores do potencial ou da natureza do próprio metal. Industrial Heating

ABR A JUN 2020 7

EDITORIAL EUA

Uma Carreira de 40 anos

REED MILLER Associate Publisher/Editor +1 412-306-4360 reed@industrialheating.com

8 ABR A JUN 2020

m Maio último, quando percebi que minha carreira metalúrgica havia começado quatro décadas atrás, decidi dar uma olhada nesta minha atividade de 40 anos nesse campo de atuação. Uma motivação para fazer isso é uma condescendência recente dos Baby Boomers pelas gerações mais jovens, porque não tivemos isso tão difícil quanto eles. Isso pode ser verdade, mas vou deixar você decidir. Minha jornada metalúrgica começou como estagiário em maio de 1980, o verão após o meu segundo ano. Comecei nos departamentos de fusão e lingotamento contínuo da Crucible Steel em Midland, Pensilvânia. No final do meu terceiro mandato (um ano inteiro de trabalho) em dezembro de 1981, a Crucible estava dizendo aos estagiários que talvez não conseguiríamos retornar devido às más condições comerciais. Toda a indústria siderúrgica estava em colapso nos anos 80. Mais de 200.000 siderúrgicos e muitos metalurgistas perderam seus empregos e mais de 400 usinas e divisões - incluindo a Crucible Midland - fecharam. Isso exigiu minha primeira mudança de trabalho para terminar minha experiência de estagiário. Por causa do clima econômico, eu decidi ficar na escola um pouco mais para obter meu diploma de mestrado, então mudei para a US Steel Research para dois contratos de estágio subseqüentes que terminaram em agosto de 1983. Essa empresa reduziu do pico de 1.800 pessoas em 1979 (meu segundo ano de faculdade) para 82 em 2009. Desnecessário dizer que não era uma opção viável de emprego após a formatura. De fato, depois de me formar em setembro de 1983, pouquíssimos empregos

Industrial Heating

estavam disponíveis para metalurgistas em Pittsburgh. O desemprego em nossa região atingiu um pico de 18,2% em 1983 - um ano difícil para procurar emprego! Querendo continuar na área de fusão, minha esposa e eu nos mudamos para a região de Albany, Nova York, onde arranjei um emprego como Metalurgista de Fusão na Al Tech Specialty Steel. Eu fiquei lá de setembro de 1983 a abril de 1985. As perdas financeiras mensais foram altas durante esse período e achei que não poderíamos esperar que isso continuasse sendo uma opção de carreira viável. A Al Tech fechou completamente (em Albany) em 1999, mas algumas partes foram fechadas uma década após a minha partida. Minha segunda posição foi como engenheiro de materiais em um fabricante de rolamentos aeroespaciais de New Hampshire, Split Ballbearing (uma divisão da MPB Corp.). Decidimos que a compra de uma casa estaria ok, mas isso era um desafio devido às taxas de juros, que eram de 13,2% mais 2,5 pontos quando a compramos em abril de 1985. Quando contratado, havia cerca de 500 empregados nessa empresa. Durante minha permanência lá, aumentou para 1.200 com a expansão das instalações. A MPB foi adquirida em 1987 pelo especulador Harold Geneen e em 1990 pela Timken. No entanto, o setor aeroespacial sofreu uma grande queda no início dos anos 90, e as demissões fizeram com que os níveis de emprego em 1992 caíssem para perto de quando fui contratado. A escrita estava na parede e era hora de outra mudança. Comecei na Washington Steel (Washington, Pensilvânia) como Metalurgista Sênior e Gerente de Controle de Qualidade em três plantas. Durante meu

EDITORIAL EUA mandato, Washington foi adquirida duas vezes - pela Lukens Steel e Bethlehem Steel - e ficou claro em 1998 que a vida fora sugada dessa boa companhia. Em 1999, a planta foi vendida e fechada. Optei por sair antes disso (1998) para me tornar o gerente corporativo de garantia de qualidade da Quality Rolls, uma fabricante de rolos forjados em Pittsburgh, com quatro plantas na Pensilvânia e Ohio. Como na maioria das empresas do setor de metais, passamos por vários altos e baixos. Então, escolhi deixar essa posição em 2006 para me tornar editor desta estimada publicação. Quatorze anos depois, continuo a servi-lo nesse papel. Mas tem sido um caminho um tanto complicado nas publicações durante esse período, começando com a grande recessão de 2008 e continuando com a revolução digital que estamos vivendo atualmente. Talvez minha experiência ilustre que a maioria das carreiras vem completa com muitos desafios. O que os próximos anos trarão? Seu palpite é tão bom quanto o meu, principalmente quando a vida voltar ao "normal" após o COVID-19. Boa leitura!

Insertec Fornos Industriais FONE: (19) 3413-3572 | E-mail: iﬁ@insertec.biz Site: www.insertec.biz

INDICADORES ECONÔMICOS NÚMERO DE CONSULTAS

NÚMERO DE PEDIDOS

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CARTEIRA

FUTURO

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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 Jan a Mar de 2020 em comparação com o trimestre anterior? Defina um ponto na escala entre -10 a +10. 2) O número de pedidos de clientes mudou de Jan a Mar de 2020 em comparação com o trimestre anterior? Defina um ponto na escala entre -10 a +10. 3) Como mudou a sua carteira de pedidos de Jan a Mar de 2020 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. Industrial Heating ABR A JUN 2020 9

EDITORIAL BRASIL

Nossa História – Tempos Atuais

UDO FIORINI Editor 19 99205-5789 udo@sfeditora.com.br

10 ABR A JUN 2020

Grupo Aprenda começou na verdade como SF Editora. Não quero me alongar em contar como foi o começo e como chegamos onde estamos hoje, mas o leitor pode ter uma certeza: a trajetória não foi e não está sendo fácil. Por várias causas, basicamente crises brasileiras – desindustrialização – a partir de 2014, econômica – a partir de 2016, e também global – a digitalização, chamemos assim, da informação impressa. Que começou lá atrás, no início de nossa empresa. E sem contar a crise atual, a do Corona Vírus. Por que estou contando isso? Sem dúvida os últimos meses, na reclusão forçada pela pandemia, e vendo a conta bancária esvaindo e os pedidos (que pedidos?) simplesmente desaparecendo, nos fizeram rever todos os conceitos e principalmente, forçam a fazer uma autocrítica e rever o porque, apesar dos esforças leoninos, que não conseguimos fazer a empresa crescer, para dizer o mínimo. Começamos em 2007 com 3 revistas e 4 a 5 colaboradores, número que hoje continua igual, apesar de estarmos com 4 revistas e termos entrado em 2013 na área de eventos e cursos internos como Grupo Aprenda. Só isso já demonstra o crescimento exponencial da nossa atividade, com o mesmo número de colaboradores. Coisas do Brasil, poderíamos dizer. Prefiro ficar com tempos modernos, digitais, administração enxuta, focada em objetivos. Apesar de toda a sorte de percalços econômico-financeiros que como uma pequena empresa brasileira tivemos que superar nos últimos anos, chegamos bem ao início de 2020. Finanças em ordem, sem qualquer tipo de dívida em aberto. E com um programa invejável de atividades previstas na área de seminários, até partindo para realização de

Industrial Heating

congressos internacionais. Prevendo na área de revistas a publicação de 11 edições em 2020. E imprimindo 6 delas. Aí veio o Corona. E deu uma rasteira braba nos nossos planos. De cara os eventos, todos eles, foram adiados sine die. Que em bom português significa “sem uma data precisa para acontecer”. E com o adiamento também aconteceu o “adiamento” da receita. Salvo alguns clientes, grandes amigos, que se mantiveram fiéis mantendo pagamentos previamente combinados e que nos auxiliaram com esse gesto a manter em dia pagamentos de salários, impostos e despesas gerais. Das revistas, além de pequenos atrasos devidos à trabalhos em home office, tudo segue normal. Apenas não imprimimos nenhuma edição até agora. E assim olhamos com esperança o futuro. Estamos trabalhando com afinco nos preparativos de realizarmos os seminários online. Ou virtuais, como queira. Já definimos o parceiro certo para os preparativos, inscrições e transmissão dos eventos. E já definimos o calendário de alguns eventos, outros aguardam o final da negociação com as empresas patrocinadoras /hospedeiras. O que quero com esse texto, aproveitando o editorial da IH, é passar uma mensagem de continuidade. Apesar de todos as dificuldades estamos seguindo com nosso trabalho de informar e fazer crescer os mercados em que atuamos. Esse é nosso objetivo. Atender a coletividade. Boa leitura!

TECNOLOGIA DE VÁCUO AVANÇADA EDITORIAL BRASIL PARA INDUSTRIA

Anos de feedback dos clientes para combinar inovação e confiabilidade. Confie no nosso know-how de ponta para aprimorar sua produção. Fabricação de grandes componentes Fornos de vários tamanhos disponíveis para atender aos mais exigentes requisitos de esforço e segurança no tratamento de trens de pouso e grandes pás de turbinas. Custos de fabricação reduzidos Uma ampla seleção de fornos a vácuo para trazer alta qualidade, produtos inovadores, reduzindo o risco operacional, melhorando a segurança, otimizando ROI e reduzindo o consumo de energia. TAV VACUUM FURNACES SPA ph. +39 0363 355711 info@tav-vacuumfurnaces.com

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Ligas de alto desempenho Pesquisa e desenvolvimento para fornecer fornos em conformidade com os padrões NADCAP para processamento de materiais expostos a aplicações de alta temperatura. Industrial Heating

ABR A JUN 2020 11

Indústria & Negócios

Novidades

NOTÍCIAS Combustol Minas inicia operações de Têmpera Superficial por Chamas – Flame Hardening diretamente lançadas na área da superfície das rodas, dos eixos ou dos dentes da engrenagem a serem endurecidas, que são então submetidas a têmpera através uma ducha de polimero em alta pressão. A Combustol Minas é uma empresa do Grupo Combustol & Metalpó, certificada ISO 9001:2015 e ISO 14001:2015, atende indústrias de diversos segmentos, dispõe de equipe especializada e, além do serviço de têmpera por chamas, também dispõe de uma vasta gama de outros serviços de tratamentos térmicos. Combustol Minas - Tratamentos Térmicos: Tel: +55 31 2564-6661 Site: www.combustol.com.br

A Combustol Minas, empresa de tratamentos térmicos localizada em Contagem, MG, iniciou recentemente as operações do processo de têmpera superficial por chamas para atender os mercados de energia, ferroviário, mineração, siderurgia e outros. O novo equipamento da Combustol Minas apresenta elevado grau de qualidade e possui capacidade útil de 2.000mm (diâmetro) e 4.000 mm (altura). O escopo do fornecimento incluem além de rodas, eixos e engrenagens, também anéis roscados, polias, superfícies planas diversas e rodetes das Usinas. A têmpera por chamas é um processo de tratamento térmico em que as chamas dos gases oxicombustíveis são

A UPC-Marathon instalou mais um gerador endotérmico no Brasil.

Uma unidade com capacidade de geração de 70 m³/h iniciou a operação no Grupo MTC – Divisão MTC Trat em Diadema, São Paulo. A linha de geradores endotérmicos e exotérmicos da UPC-Marathon possui 12 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

a mais alta tecnologia disponível no mercado mundial trazendo qualidade, estabilidade e economia na geração de atmosferas para tratamento térmico. Possuímos uma linha completa para controle, medição e automação

de equipamentos de tratamento térmico, para maiores informações é só entrar em contato através do e-mail: marcio.boragini@upc-marathon. com <mailto:marcio.boragini@upcmarathon.com>

Indústria & Negócios

Novidades

INSTITUCIONAL Service Care é diferencial para produtividade e amplia vida útil de equipamentos

Melhor prevenir que remediar. O ditado antigo, que você deve ter ouvido inúmeras vezes, tem aplicação prática quando o assunto é manutenção. O remédio, no caso de fornos a vácuo e industriais, máquinas PVD e lavadoras a vácuo é amargo para quem não tem um olhar de cuidado sobre os equipamentos no cotidiano. Para fugir do pesadelo de uma linha de produção parada sem programação, a LMTerm oferece o Service Care. O serviço previne problemas e garante bons resultados a longo prazo, além de realizar a conservação adequada e ampliar a vida útil dos equipamentos. “Os planos de manutenção são completos, desenhados de acordo com a necessidade do cliente”, explica o gerente comercial da LMTerm, Leonardo Micheletto. O trabalho inclui uma checagem geral do sistema, com correções e visitas presenciais previamente agendadas. “Garantimos a segurança do sistema e, dessa forma,

minimizamos paradas para manutenções corretivas”. O serviço reflete na operação e também no planejamento econômico das empresas, já que existe uma tabela de preços pré-definidos para o período contratado. “Temos cases de usuários com 8 anos de uso de forno, por exemplo, que por conta do Service Care não precisou de reformas, apenas pequenos reparos”. VANTAGENS O Service Care é baseado na manutenção compartilhada e começa com o próprio cliente, que ao receber o equipamento tem o treinamento da LMTerm para a operação adequada no dia a dia. “Vale destacar que, independente de o equipamento ser comercializado pela LMTerm, realizamos treinamentos, consultorias e firmamos contratos de manutenção.” Depois vem a execução da manutenção feita pela equipe técnica da empresa proprietária do equipamento. “Para isso, disponibilizamos horas de help desk, além de acesso remoto para auxiliar o cliente mesmo a distância com dúvidas ou intervenções necessárias”, esclarece Leonardo. Toda a manutenção que o cliente não realiza internamente é feita durante as visitas da equipe LMTerm, referência no segmento. “Calibramos todas as grandezas físicas dos equipamentos e instrumentos envolvidos no processo, tais como temperatura, pressão, vácuo e outros”. Os certificados de calibração de vácuo e pressão emitidos pela LMTerm atendem normas do Ministério do Trabalho (NR-13) quanto à calibração dos instrumentos e segurança do sistema. EFICIÊNCIA Segundo Leonardo, os índices de êxito com clientes atendidos neste modelo têm mostrado um aumento do MTBF (Mean Time Between Failure) e redução do MTTR (Mean Time to Repair), ou seja: menos parada de máquina por falhas e maior vida útil do equipamento, além de oferecer mais segurança nos processos que ampliam a qualidade e produtividade dos equipamentos. “Os relatos são de aumento na qualidade das peças tratadas e maior estabilidade dos processos ao longo do tempo. É um modelo testado e validado em plantas no Brasil e exterior. Os resultados são garantidos a longo prazo”. SERVIÇO Quer saber mais e conhecer as soluções ideias para sua empresa? A LMTerm te ajuda: (12) 30214781 ou comercial@lmterm.com.br. Industrial Heating

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Indústria & Negócios

Novidades

PRODUTOS Combustol Fornos - Tradição em montagem de estufas A Combustol Fornos, é uma tradicional fabricante de fornos e estufas indústrias para tratamentos térmicos, secagem, cura, sinterização , e com mais de 60 anos de atuação no mercado nacional, acabou de desenvolver um processo de secagem e cura de revestimento de fluxagem, usualmente denominado de deep flux, uma vez que as peças a serem tratadas são imersas verticalmente no tanque de fluxagem. O processo é aplicado em evaporadores e condensadores de alumínio. Usualmente as linhas fabricadas pela Combustol Fornos são

contínuas com sistemas automáticos de carga e descarga. Também , em função da produtividade, são fabricadas linhas batch igualmente providas de degreaser , sistema after burner de incineração de voláteis ,estufa de secagem e câmara de resfriamento de integração da linha.

TAV VACUUM FURNACES - Solução avançada para a indústria aeronáutica • Em conformidade com a AMS2750E, conforme solicitado pelo setor aeronautico, • Dimensões úteis: diâmetro 2000 mm - altura 2000 mm - volume: 6283 dm3, • Máx. carga bruta: 3000 kg • Máx. temperatura: 1350 ° C - Temperatura máxima de operação: 1250 ° C.

A IFP – Industrial Finishing Plants, representada pela LMQualidade e eficiência são marcas registradas da TAV Vacuum Furnaces, que recentemente produziu o forno modelo TAV V20, solução avançada para tratamento térmico a alto vácuo e processos de brasagem para o setor aeronautico. Principais características: • Instrumentação Classe II tipo B 14 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

Sistema de supervisão SCADA O equipamento conta com um grupo de bombeamento completo, com bomba de palhetas rotativas, booster ‘roots’ e bomba de difusão de óleo, o que permite a rápida evacuação da câmara e altos níveis operacionais. A alta potência instalada e as amplas superfícies dos elementos de aquecimento permitem rampas de aquecimento rápidas e uniformes e ciclos mais curtos. Além disso, um sistema de refrigeração a gás de circuito fechado combina alta capacidade de fluxo e alta pressão para

garantir um resfriamento rápido e uniforme da carga. Um inversor de frequência variável permite uma regulagem fina da velocidade de resfriamento. A porta inferior abre e permite o carregamento e descarregamento de carga, bem como a inspeção e manutenção da câmara térmica. O forno está equipado com uma rack de carga de Fibra de Carbono “CFC” personalizado de 5 camadas - ø2000x2000 mm, com uma capacidade de carga total de 3000 kg. Além disso, possui uma zona quente metal circular, com armação vertical de aço que suporta as proteções contra radiação (em molibdênio e aço inoxidável) e os elementos de aquecimento. Mais informações: info@tav-vacuumfurnaces.com https://www.tav-vacuumfurnaces. com/en

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO

Geradores de Gás Endotérmico

O DANIEL H. HERRING +1 630-834-3017 dherring@heat-treat-doctor.com

pai do gerador de gás endotérmico era um cavalheiro chamado Norbert K. Koebel, que gostava de dizer a jovens engenheiros como faz o Doutor em Tratamentos Térmicos hoje: “Trate-os bem e eles o tratarão bem”. Ele sabia que o gerador de gás endotérmico era o coração de qualquer operação de tratamento térmico com atmosfera. Verdade então, verdade agora. Vamos aprender mais. O gás endotérmico (também conhecido como RX® ou endo gas) é usado principalmente para a têmpera neutra e como gás de arraste para a cementação e a carbonitretação gasosa. Atualmente, o gás endo é normalmente fornecido ao forno para que a atmosfera do forno seja essencialmente neutra à superfície de muitos aços e possa ser quimicamente ativa pela adição de gás de enriquecimento (hidrocarboneto), amônia ou ar no próprio forno. Química dos Gases O gás endotérmico é produzido quando uma mistura de ar e combustível é introduzida em uma retorta aquecida externamente em Nickel-based catalyst

Nitrogênio – N2

Tabela 1. Variedades de composição típicas para gás endotérmico

Oxigênio – O2

Methane – CH4

4 N2 + 1 O2 + 2 CH4

uma proporção tão baixa de ar / gás que normalmente não queima. A retorta contém um catalisador ativo, necessário para quebrar a mistura. Saindo da retorta, o gás deve ser resfriado com rapidez suficiente para evitar a chamada reação de reversão ou reformação de carbono, onde o monóxido de carbono se decompõe em dióxido de carbono e carbono (na forma de fuligem) antes de chegar ao forno. O gás precisa ser rapidamente resfriado na faixa de temperatura de aproximadamente 705°C a 480°C ou menos para evitar essa reação. A reação endotérmica dos gases (Equações 1-2) ocorre em duas etapas e produz uma atmosfera de nitrogênio, hidrogênio e monóxido de carbono com porcentagens variadas de dióxido de carbono, vapor de água e hidrocarboneto residual como metano se o gás natural for a matéria-prima. CH4 + air (2O2 + 8N2) → CO2 + 2H2O + 8N2 (1) 2C3H8 + air (3O2 + 11.4N2) → 6CO + 8H2 + 11.4N2 (2) A composição do gás endotérmico (Tabela 1), em volume, varia de acordo com o tipo de matéria-prima do gás hidrocarboneto. O uso de um catalisador à base de níquel (Fig. 1) acelera a reação. O níquel (Ni) atrai os átomos de hidrogênio do metano, que se liga ao

HEAT

4 N2 + 4 H2 + 2 CO

Fig. 1. Química do gerador de gás endotérmico (cortesia da Surface Combustion, Inc.) Nickel-based catalyst - Catalisador base níquel

Constituinte de gás

Porcentagem (com base no gás natural)

Porcentagem (baseada em propano)

40.9%

19.6%

23.3%

CO2

0.4%

0.1%

38.9%

35.5%

CH4

0.2%

Ponto de orvalho

+20/+50˚F

-10/-15˚F

Relação (ar/gás)

2.6:1

7.8:1

Industrial Heating

ABR A JUN 2020 15

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO

Fig. 2. Gerador de gás endotérmico de retorta única (cortesia da AFC-Holcroft)

catalisador. As moléculas de oxigênio se aproximam e são atraídas pelos átomos de carbono. Os átomos de carbono combinam-se com os átomos de oxigênio para formar monóxido de carbono (CO). Os átomos de hidrogênio se combinam para formar H2 e são liberados da atração de níquel. O níquel agora disponível atrai novo metano para continuar o processo de reação (craqueamento). Após a passagem da mistura ar-gás sobre o catalisador, a reação é “congelada”, resfriando o gás rapidamente para cerca de 315°C em um trocador de calor resfriado a ar ou a água. Visão Geral do Equipamento Os geradores de gás endotérmico consistem em vários componentes básicos: misturador de gás, queimador, câmara de combustão e trocador de calor. Eles estão disponíveis nos modelos de retorta única (Fig. 2) e retorta múltipla (Fig. 3). Os produtos da combustão de um combustível (por exemplo, gás natural) e ar são combinados nas proporções ar / gás tipicamente entre 2,5:1 e 3,5:1 para criar a atmosfera. A reação requer 16 ABR A JUN 2020

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que adição de calor (daí o nome endotérmico) e, como tal, esses geradores normalmente têm câmaras de combustão aquecidas. Recursos Geradores de gás endotérmico são equipamentos comuns em tratamentos térmicos. Os principais componentes de um gerador endotérmico (Fig. 4) são relativamente simples e consistem em: • Retorta aquecida com catalisador • Componentes de controle de proporção ar-gás • Compressor para passar a mistura ar-gás pela retorta • Resfriador para “congelar” a reação e impedir a formação de fuligem • Válvula de retenção para evitar retrocesso de chama na linha de gás • Queimador de excesso de gás produzido • Termopares (controle, superaquecimento, registro) e instrumentação de controle. Retorta A retorta para um gerador de gás endotérmico é tipicamente uma liga fundida - HU (38% Ni, 18% Cr) e HK

(20% Ni, 25% Cr) são comuns. Em alguns casos, as retortas são fabricadas a partir de Inconel 600® (escolha de liga preferida) ou feitas de carbeto de silício. As retortas na maioria dos geradores industriais são finas e altas ou grossas e curtas. Eles variam em diâmetro de cerca de 150 mm a 300 mm. Em projetos de diâmetro maior, o tubo de entrada passa pelo centro da retorta (para pré-aquecer o gás) ou o espaço é ocupado por um tubo de extremidade fechada, geralmente com diâmetro de 50 a 75 mm para evitar problemas com um centro frio no leito catalisador. Catalisador Apenas por razões econômicas, os fabricantes deixaram de fornecer a injeção de níquel puro como catalisador e hoje utilizam cubos isolantes de catalisadores de tijolo refratário tipicamente com 25 mm de tamanho revestidos com 3-7% de sulfato de níquel (NiSO4). Cubos de tamanho menor, 17,5 mm e esferas de 19 mm de diâmetro, também foram utilizados, mas a queda de pressão no leito do catalisador deve ser monitorada devido ao aumento da densidade

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO a faixa de trabalho do gerador (Fig. 6). Retorta catalítica

Linha do equalizador de pressão

Para o forno

Isolamento A câmara de aquecimento de um gerador de gás endotérmico pode ser revestida com isolamento refratário ou de fibra cerâmica. Projetos modulares e câmaras no estilo de concha (para facilitar a remoção de retorta) que abrigam retortas simples são mais populares hoje do que a prática anterior de usar grandes câmaras de aquecimento que abrigam retortas múltiplas. Trincas do refratário e o encolhimento da fibra cerâmica resultam em pontos quentes no invólucro que podem ser evitados por projeto adequado e práticas de aquecimento da unidade a partir da temperatura ambiente.

Resfriador de gás

Camisa de água

Medidores de vazão

Chaminé Entrada de ar

Queimador ou elementos de aquecimento para retorta Válvula automática corta chama

Entrada de gás bruto

Regulador Filtro Carburador

Bomba de mistura

Válvula automática de pressão e fluxo de gás Fig. 4. Arranjo esquemático da tubulação do gerador de gás endotérmico [3]

de empacotamento. O uso de um catalisador refratário geralmente sugere uma retorta de menor diâmetro para garantir uma distribuição de calor adequada em todo o leito do catalisador e um tempo de permanência adequado à temperatura para a dissociação completa. Misturador Uma compressor de mistura e um carburador (opcional) controlam a relação ar / gás de um gerador de gás endotérmico na faixa de 2,5: 1 a 3,5: 1 para gás natural (Fig. 5a) e 7,25: 1 e 9,25: 1 para propano (Fig. 5b). Em alguns projetos de geradores, sabe-se que as relações ar / gás são tão baixas Rico

Magro

CO Gás natural (90% CH4, 5% C2H6, 5% N2)

Fonte de Aquecimento Os geradores de gás endotérmico são alimentados a gás ou aquecidos eletricamente. Se alimentados a gás, queimadores de anel ou queimadores de combustão são comuns. As unidades aquecidas eletricamente usam elementos de aquecimento de níquel-cromo ou carbeto de silício. Se metálicos, geralmente incluem a adição de elementos de terras raras (por exemplo, Hf, Y) para prolongar a vida

Rico

Magro

0 CO 0

Propane (C3H8)

CO2

CH4 0 2.4

Eixo desconhecido

quanto 2,0: 1 para o gás natural. Hoje, a maioria dos geradores executa um ponto de orvalho (Tabela 2) na faixa de +4,5 ± 0,2˚C para minimizar os problemas de manutenção (por exemplo, fuligem). Para aplicações de cementação, alguns tratadores térmicos preferem operar geradores na faixa de -1,1 ± 0,2˚C. Os ajustes finais na atmosfera são normalmente feitos no forno. De forma semelhante às contrapartes dos geradores de gás exotérmico, os geradores endotérmicos podem ser equipados com pacotes de software avançados combinados com compressores regenerativos capazes de fornecer “fluxo sob demanda” em toda

CO2

CH4 0

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

Relação ar-gás

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

Air-gas ratio

Fig. 5a. e 5b. Valores da proporção ar-gás e composições de gás para geradores de gás endotérmico que operam com uma matéria-prima de gás natural [5] Industrial Heating

ABR A JUN 2020 17

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO

Fig. 6. Sistema de mistura de gás de injeção de combustível Endoinjector® montado em um gerador de gás endotérmico (cortesia da Atmosphere Engineering Company)

útil, uma vez que os elementos funcionam no ar. A energia é regulada por controle liga / desliga ou proporcional (SCRs com disparo zero ou ângulo de fase). A temperatura de operação típica de um gerador de gás endotérmico é de 10101095°C, dependendo do projeto. A maioria das unidades funciona na faixa de 1065°C. Termopares A maioria dos geradores usa termopares do tipo K ou do tipo S. Os termopares tipo N são frequentemente usados como termopar de verificação (SAT - System Accuracy Test aceitação para teste de exatidão de temperatura). Válvulas Corta Chama A válvula corta chama (Fig. 7) é um dispositivo de segurança projetado para impedir o retorno de chama na linha de entrada de gás. A funcionalidade da válvula deve ser verificada a cada seis meses ou mais frequentemente, se recomendado pelo fabricante. A triste realidade é que a maioria dos tratadores e do pessoal de manutenção não entende sua função e nunca verifica se está funcionando corretamente! Aplicações Os usos do gás endotérmico (Tabela 3) incluem os seguintes

Fig. 7. Válvula Firecheck (corta chama) em um gerador de gás endotérmico

processos de tratamento térmico: • Cementação • Recozimento brilhante • Sinterização • Brasagem • Carbonitretação • Restauração de carbono • Têmpera neutra Manutenção Uma das tarefas que o Doutor recebeu na primeira semana de trabalho foi trocar o catalisador em um gerador endotérmico - uma tarefa que deixou uma impressão indelével em um novato em tratamento térmico. Foi divertido, foi informativo e foi um trabalho árduo! Hoje, a manutenção em geradores de gás endotérmico é ainda mais crítica do que era na época e inclui as seguintes tarefas gerais (dependendo do gerador envolvido): • Teste para determinar se o leito do catalisador está sujo. Os indicadores são: q Pequenos ajustes de taxa não resultam em alteração do ponto de orvalho. q Leituras de ponto de orvalho muito altas q Metano (CH4) maior que 0,5% após uma operação adequada de queima de fuligem.

Tabela 3. Aplicações para gás endotérmico Aplicações Tipo de aço Baixo carbono (a 0,20%)

Carbono médio (0.20-0.60%)

Processo

• Têmpera neutra • Carbonitrretação • Restauração de carbono

• Cementação • Carbonitretação • Brasagem Sinterização

18 ABR A JUN 2020

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Alto carbono (acima de 0,60%) Aços especiais e ferros • Cementação • Recozimento brilhante • Recozimento brilhante • Têmpera neutra • Brasagem

• Recozimento brilhante • Têmpera neutra

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO q Ao operar entre 1 a 5°C, o CO2 deve ser aproximadamente o equivalente ao ponto de orvalho dividido por 100 (0,30-0,40% de CO2). Ao longo dos anos, listas de verificação [6] foram desenvolvidas (e personalizadas) para a maioria dos geradores de gás endotérmico. Aqui está uma lista geral de atividades de manutenção por frequência sugerida: • Verificações Diárias q Verifique a instrumentação de controle de temperatura para obter as temperaturas operacionais adequadas. q Verifique o fluxo e a pressão adequados da atmosfera gerada. q Verifique as relações ar-gás de entrada adequadas. q Verifique a análise de gás ou o ponto de orvalho da unidade. Verifique se as leituras manuais e automáticas coincidem. Recalibre os analisadores automáticos de gás. q Verifique se os flutuadores nos tubos de fluxo de gás estão livres e funcionando. q Verifique se o compressor está funcionando e funcionando. q Verifique se o trocador de calor de resfriamento de gás está funcionando. Se instalado, verifique a temperatura do gás de saída para confirmar que a reação de reversão de carbono não está ocorrendo (e que a fuligem não está sendo formada) na descarga de gás do gerador para o forno. q Se o sistema for resfriado a água, verifique os drenos de checagem ou os medidores de temperatura (ou ambos) para confirmar o fluxo, a pressão e a temperatura da água. q Verifique se não há vazamentos de nenhuma das juntas na retorta do processo, particularmente no ponto de entrada do gás do processo pelo compressor. q Verifique a câmara de aquecimento e confirme visualmente que é incandescente. q Se alimentado a gás, verifique o equipamento de combustão, incluindo pilotos, acendedores de ignição e varetas de chama, para uma operação adequada. Verifique os queimadores quanto às características adequadas de ignição e combustão. q Se aquecido eletricamente, verifique o consumo de corrente nos elementos de aquecimento. q Verifique se os queimadores ou pilotos atmosféricos (ou ambos) estão protegidos contra correntes de ar. q Verifique a saída de escape para confirmar a ignição de gases da atmosfera inflamável. q Monitore o nível de monóxido de carbono (CO) na

área imediata do gerador (confirme se é <0,01%). q Verifique o funcionamento adequado dos exaustores e escape. q Verifique se há temperatura excessiva em todas as áreas do gerador. q Verifique as válvulas manuais, bloqueadores manuais, aberturas de ar secundárias ou derivações ajustáveis, motores de válvulas e válvulas de controle quanto à ação suave, posição e ajuste adequados. q Verifique todos os pressostatos para obter os ajustes de pressão adequados. q Verifique os sopradores, compressores e bombas quanto a ruídos ou vibrações incomuns. q Verifique a tensão da correia. q Verifique se há evidência de qualquer dano, por qualquer causa. • Verificações Semanais q Queime / regenere o catalisador de acordo com as instruções do fabricante recomendado e com a frequência recomendada pelo fabricante. q Remova o filtro de ar do compressor, limpe e / ou substitua. q Quando a queima / regeneração estiver concluída, inicie o procedimento de produção de gás. Verifique a análise de gás ou o ponto de orvalho do gás. q Verifique se o equipamento sensor de chamas está em boas condições, localizado corretamente e livre de detritos estranhos. q Limpe a haste da chama do queimador. q Verifique os eletrodos das velas de ignição quanto a operação e abertura adequados. q Teste os termopares e o cabos de compensação curtos e conexões frouxas. Verifique os tubos de proteção quanto a flacidez, rachaduras e profundidade de inserção adequada. q Teste os sistemas de alarme visíveis e audíveis para obter a funcionalidade adequada. q Remova o filtro de ar do compressor, limpe e ou substitua. q Remova os flutuadores do tubo de vidro do medidor de vazão e limpe as superfícies interna e externa do medidor de vazão e monte novamente. q Verifique os termopares para calibração. q Verifique a pressão do gás no compressor. q Verifique a instrumentação para calibração. Isso significa temperatura, bem como análise de gás ou ponto de Industrial Heating

ABR A JUN 2020 19

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO orvalho. q Teste as seqüências de intertravamento de todos os equipamentos de segurança. Faça com que cada intertravamento falhe manualmente, observando que o equipamento relacionado fecha ou para, conforme especificado pelo fabricante. • Verificações Mensais qTeste as configurações do pressostato verificando os movimentos do interruptor em relação às configurações de pressão e comparando com a pressão de impulso real. q Inspecione todos os dispositivos elétricos quanto à corrente e voltagem adequadas e verifique se todos os contatos e interruptores elétricos estão funcionando corretamente. q Limpe ou substitua o filtro do compressor de ar. q Limpe todos os filtros ou peneiras. q Inspecione queimadores e pilotos. q Verifique os cabos de ignição e os transformadores. q Teste o equipamento de abertura automática e manual.

q Teste as válvulas de alívio de pressão; limpe conforme necessário. q Verifique os reguladores de contrapressão; inspecione e limpe / substitua os diafragmas. • Verificações Trimestrais q Inspecione o catalisador e encha (se necessário) até a marca recomendada ou substitua, se necessário. q Inspecione e limpe os queimadores. Verifique o cavalete de gás para verificar a funcionalidade. q Remova a linha de fornecimento de gás do gerador para o forno e limpe. Pode haver fuligem presente se houver algum problema com o resfriador de gás. q Verifique todos as solenóides de segurança e controles de segurança. • Verificações Semestrais ou Anuais q Inspecione a retorta, refratários, trocadores de calor, geladeiras, secadoras e outros acessórios; Reparar ou substituir, se necessário. q Lubrifique a instrumentação, motores de válvulas, válvulas, sopradores, compressores, bombas e

Tabela 2. Ponto de orvalho vs. porcentagem de carbono para uma atmosfera de 20% CO, 40% H2

Temperatura˚C

Temperatura˚F 1500

1550

1600

1650

1700

1750

1800

1850

1500

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

-2

0.80

-4

0.85

-5

0.90

-7

0.95

-2

-8

0.100

-3

-10

20 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

outros componentes. q Instrumentação de teste; limpe os fios e os componentes elétricos. q Teste as unidades de proteção contra chamas. q Queime a fuligem na(s) retorta(s). q Verifique se há entupimento de tubos quentes, conjuntos de tubos e tubos revestidos. Problemas Os problemas mais comuns enfrentados com geradores de gás endotérmico envolvem: • Temperatura - A eficiência da reação endotérmica é termicamente dependente. Toda a atmosfera deve atingir uma temperatura mínima para que o gás seja completamente reagido. Se a temperatura não for atingida, nenhuma reação ocorrerá. • Resfriadores de gás - Se os resfriadores de gás não estiverem funcionando com eficiência, ocorrerá fuligem devido à reação de reversão de carbono. Isso geralmente ocorre fora da retorta e causa uma restrição na tubulação de saída e na tubulação do forno, o que causa a contrapressão e a perda de fluxo. A fuligem pode se acumular em um resfriador de gás em questão de minutos, e é por isso que o controle proporcional é tão importante. • Catalisador - O catalisador geralmente é um refratário impregnado de níquel, escolhido por sua capacidade de suportar a alta temperatura operacional necessária para suportar os ciclos de regeneração do catalisador e manter a estabilidade física na presença dos produtos da reação (principalmente monóxido de carbono). Se a temperatura não estiver alta o suficiente e o gás não reagir completamente, resultará em fuligem no leito do catalisador. Uma vez que no catalisador

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO impregna a fuligem, ele se torna ineficaz, e a composição do gás varia à deriva e produz porcentagens mais altas de metano, dióxido de carbono e vapor de água. Segurança Como qualquer outro equipamento de atmosfera que use gás combustível, deve-se tomar muito cuidado ao iniciar, produzir gás e operar geradores de gás endotérmico. Retornando a unidade a serviço após um desligamento, a temperatura do gerador deve ser aumentada lentamente para reduzir o risco de choque térmico ao refratário e criar estresse na retorta do processo. Sob nenhuma circunstância você deve considerar colocar gás ou qualquer outra mistura de gás combustível na retorta (ou no forno) quando a temperatura estiver abaixo de 760°C. Caso contrário, uma explosão grave provavelmente ocorrerá e poderá resultar em ferimentos graves ou morte e danos significativos ao equipamento. Todos os padrões da NFPA 86 devem ser seguidos (NFPA National Fire Protection Association – Associação Americana de Proteção contra Incêndios). Resumo Os geradores de gás endotérmico têm um longo e comprovado histórico de sucesso. O gás produzido é relativamente estável e adequado para um amplo espectro de aplicações de processo. A manutenção é relativamente simples e os problemas com o equipamento e a tecnologia são bem compreendidos e solucionáveis no chão de fábrica.

United Process Controls.

Referências [1] Herring, Daniel H., Atmosphere Heat Treatment, Volume I, BNP Media, 2014 [2] Herring, Daniel H., Atmosphere Heat

LEIA ONLINE

Treatment, Volume II, BNP Media, 2015 [3] Metals Handbook,, Volume 2: Heat Treating, Cleaning and Finishing, 8th Edition, ASM International, 1964 [4] Berry, Theodore P., “An Overview of Endothermic Generators,” Super Systems, Technical Data [5] “Endogas: Endothermic Atmosphere for Hardening, Brazing, Sintering, and Gas

E CONFIRA ÀS PUBLICAÇÕES

Carburizing,” SECO/WARWICK Corporation, Bulletin AG-301.2 [6] Herring, Daniel H., and David Pye, “Understanding the Endothermic Gas Generator: Maintenance and Safety Checklists,” HOT TOPICS in Heat Treatment and Metallurgy, January 2004 [7] Mr. Donald Bowe, Lead Engineer, Air Products & Chemicals Inc. (www. airproducts.com), technical and editorial

A revista Industrial Heating é disponibilizada gratuitamente na área de PUBLICAÇÕES no site Portal Aquecimento Industrial, junto dos Artigos e Colunas mais relevantes sobre a indústria no Brasil e no mundo.

review, private correspondence [8] Mr. James Oakes, Vice President Business Development, Super Systems, Inc. (www. supersystems.com), technical and editorial review, private correspondence [9] Mr. Jason Jossart, Atmosphere Engineering Company (www.atmoseng.com), private correspondence [10] Mr. Michael Schmidt, SECO/WARWICK Corporation (www.secowarwick.com), private correspondence [11] RX® is a registered trademark of Surface Combustion, Inc.

aquecimentoindustrial.com.br/publicacoes

A revisão da tradução deste artigo foi gentilmente feita por Marcio Torres Boragini da Industrial Heating

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COMBUSTÃO

Emissões de Materiais Particulados na Combustão

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.

MARCELO VIEIRA MORAES mvmoraes@gmail.com Eng. Eletricista pela POLI-USP, MBA em Estratégia Empresarial na FGV-CEAG, Project Management PMI e Especialista de Projetos na ULTRAGAZ.

22 ABR A JUN 2020

poluição do ar vem se tornando uma das grandes preocupações em todos os países, principalmente nas grandes cidades. Cada vez mais, estudos demonstram o relacionamento entre doenças e poluição atmosférica. Neste artigo será tratada a emissão de material particulado oriundo da queima de óleos combustíveis. Material Particulado (MP) é uma definição genérica que engloba uma coleção de poluentes sólidos e líquidos que permanecem em suspensão na atmosfera devido às suas mínimas dimensões. Segundo a CETESB (2020), as principais fontes de emissão de MP são veículos automotores, processos industriais, queima de biomassa e ressuspensão de poeira do solo. E alguns gases gerados em processos de combustão, como dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis, também podem gerar partículas através de reações físicas e químicas na atmosfera. Os materiais particulados inaláveis são classificados segundo sua granulometria em MP GROSSO (entre 2,5 e 10 microm), MP FINO (menor ou igual a 2,5 microm) e MP ULTRAFINO (inferior a 0,1 microm). As partículas finas e ultrafinas têêm como origem e fonte processos de combustão (carvão, óleo, gasolina, diesel e madeira) e de temperaturas elevadas; as partículas grossas, além de outras origens, também podem ser geradas pela combustão incontrolada de óleos combustíveis e carvão (CETESB, 2008). A exposição de pessoas a MP inalável pode, em curto prazo, agravar doenças pulmonares, causar ataques de asma e de bronquite aguda e aumentar o risco de infecções respiratórias. Nos pacientes cardíacos, esta exposição está ligada a ataques cardíacos e arritmias. Em exposições de longo prazo, a inalação de MP está associada à redução da função pulmonar, à bronquite

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crônica e a mortes prematuras (EPA, 2020), bem como câncer pulmonar. As partículas inferiores a 2,5 microm são ainda mais nocivas pois ultrapassam as barreiras do pulmão e entram na corrente sanguínea (WHO, 2020). Apesar de todas as exigências quanto às emissões de MP, a maioria dos países da Europa já se conscientizou dos malefícios causados à população, estabelecendo restrições ao uso de veículos a gasolina e a óleo diesel. De acordo com YALE (2019), na década iniciada em 2020, até agora 24 cidades europeias irão banir os veículos a diesel e 13 destas cidades eliminarão todos carros com motores de combustão interna até 2030; outras cidades, como Madri, desde 2018 já iniciaram a restrição do acesso de veículos a gasolina fabricados antes do ano 2000 e veículos a diesel anteriores a 2006 e Paris baniu carros a diesel com mais de 13 anos do centro da cidade nos dias de semana. Aqui no Brasil, como em muitos países em desenvolvimento, a quantidade de veículos antigos e em mau estado de conservação tornase significativa. É fácil deparar até mesmo com a emissão de fumaça visível sendo emitida por carros, ônibus e caminhões, principalmente em aclives, até mesmo em importantes vias dos centros das cidades. Além disso, existem ainda as emissões da queima de óleos combustíveis nas indústrias, ou até mesmo de lenha em equipamentos de padarias, pizzarias e caldeiras. Portanto urge a necessidade da mitigação das emissões de MP e outros poluentes oriundos dos processos de combustão, como óxidos de enxofre, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio, o que certamente acarretaria na redução dos custos com afastamentos do trabalho, internações hospitalares e mortes. No caso dos veículos a diesel e a gasolina, os motivos mais comuns para emissão de MP são a

COMBUSTÃO antiguidade do motor e seu mau estado de conservação; nos motores a diesel, soma-se ainda a violação intencional do lacre da bomba injetora na tentativa de obter mais potência. Sim, a potência aumenta um pouco, porém a emissão de MP em muito se eleva. No caso das emissões industriais, o problema se agrava com a má queima de combustíveis menos nobres como os óleos residuais e a lenha. A opção mais indicada seria a conversão para combustíveis mais nobres como o GLP e o gás natural, os quais são considerados ecologicamente amigáveis por emitirem menos carbono, apresentarem produtos da combustão praticamente isentos de MP e de óxidos de enxofre, além de muitas outras vantagens. Porém, a maior dificuldade para a conversão é o investimento necessário, visto que geralmente combustíveis nobres apresentam custos mais elevados, o que pode inviabilizar o retorno do capital investido, caso a distribuidora interessada não possa de alguma forma colaborar neste processo. Concluindo, urge que o poder público se empenhe neste desafio de manter um programa ativo de controle da poluição, inclusive com blitz periódica em locais aleatórios como aclives, além de um maior rigor quanto o uso de combustíveis menos nobres na indústria.

sp.gov.br/ar/poluentes/, consulta em

bient (outdoor) air pollution, disponível

30/04/2020

em https://www.who.int/news-room/fact-

[3] EPA – U.S. Environmental Protection Agency, National Service Center for

-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health, consulta em 02/05/2020.

Environmental Publications, Particle pollution and your health, disponível

[5] YALE University, Diesel vehicles face a

em https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.

grim future in Europe’s cities, disponível

cgi?Dockey=P1001EX6.txt, consulta em

em E-360, https://e360.yale.edu/digest/

26/04/2020

diesel-vehicles-face-a-grim-future-in-europes-cities, consulta em 03/05/2020.

[4] WHO – World Health Organization, Am-

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Referências [1] CETESB – Diretoria de Engenharia, Tecnologia e Qualidade Ambiental, Material particulado inalável fino (MP2,5) e grosso

Visite-nos on-line ou ligue hoje para uma consulta com um de nossos engenheiros de vendas! +1.203.949.8697 www.nelhydrogen.com

(MP2,5-10) na atmosfera da região metropolitana de São Paulo (2000 – 2006), dezembro de 2008. [2] CETESB – disponível em https://cetesb.

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ABR A JUN 2020 23 2/3/20 4:49 PM

SIDERURGIA

A Reciclagem Siderúrgica de Plásticos em 2020

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.

á foi comentado aqui, na edição de janeiro-março de 2012, sobre uma rota para reciclagem de rejeitos de plástico: seu uso como agente redutor e fonte energética na siderurgia. Essa alternativa foi desenvolvida simultaneamente por usinas japonesas e alemãs no final do século passado, quando vários artigos foram publicados sobre esse assunto. Contudo, uma vez passada a euforia inicial, as notícias sobre essa nova forma de reciclagem desapareceram e não ficou claro se ela vingou a longo prazo. Nos últimos anos, o problema da má disposição dos rejeitos plásticos tornou-se crítico, especialmente depois da constatação de acúmulos gigantescos desses resíduos em determinadas regiões nos oceanos. Como já era de se prever, surgiu uma crescente e avassaladora má vontade geral quanto ao uso de artigos descartáveis e embalagens feitos de plástico. Afinal, são produtos cuja vida útil é efêmera, mas que depois de seu uso podem levar séculos para serem

Energia [MJ/kg de resíduos de plástico] 40

Incineração municipal de resíduos sólidos com eficiência energética média

-20

-60

Emissões de gases que causam o efeito estufa

[CO2 equivalente a cada kg de resíduos plásticos] 3 2

Recuperação energéti- Reciclagem para Reciclagem para ca com eficiência material (plástico matéria prima (por energética alta para plástico) exemplo, alto-forno)

Descarte em aterro sanitário

-80

1 0 -1 -2

Benefício líquido da recuperação

-40

reabsorvidos pelo meio ambiente. Nos últimos anos as restrições legais ao uso de plásticos descartáveis vêm aumentando cada vez mais. Mas essa tendência sofreu uma reversão dramática e imediata com a ocorrência da pandemia de covid-19, cujo combate requer uma quantidade imensa de produtos descartáveis na área médica, geralmente feitos com polímeros e plásticos: máscaras descartáveis, material hospitalar em geral, óculos de proteção, embalagens, entre outros. O distanciamento social fomentou o comércio on-line e o serviço de entregas de compras e refeições que, por sua vez, também requerem volumes extraordinários de embalagens e itens descartáveis. A preocupação ecológica ficou em segundo plano, já que a assepsia passou a ser prioridade frente a uma doença de fácil contágio e com incidência relativamente alta de complicações sérias. Portanto, o problema de se implantar uma destinação correta para os rejeitos plásticos não só não desapareceu, como também se

-3 -4 -5 Fonte: Denkstatt, 2010.

-6

Fig. 1) Reciclagem com alto desempenho (perda de 10% de material) 2) Reciclagem com baixo desempenho (maiores perdas de material). Comparação entre geração de energia e emissões de gás carbônico associadas a cada abordagem para reciclagem de polietileno com alta densidade. Fonte: Denkstatt, 2010 24 ABR A JUN 2020

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SIDERURGIA tornou ainda mais agudo. Há uma série de alternativas propostas – reciclagem, mera queima como combustível, pirólise para a produção de matérias primas químicas ou monômeros – mas nenhuma delas, isoladamente, é capaz de dar a solução definitiva ao problema. Vale a pena então retomar o tema da reciclagem siderúrgica dos rejeitos plásticos e atualizar as informações sobre ele. Em outubro passado, a Nippon Steel informou, durante o evento ABM Week, em São Paulo, que as coquerias de suas usinas integradas estão consumindo cerca de 80.000 toneladas por ano de rejeitos plásticos. Uma pesquisa em periódicos especializados mostrou que esse tipo de reciclagem se consolidou, embora não venha tendo tanto destaque na mídia. A injeção de resíduos plásticos em altos-fornos também vem se mantendo firme, substituindo geralmente 1,1 tonelada de coque por 1 tonelada de resíduos plásticos, uma vez que o poder calorífico dos plásticos normalmente usados ultrapassa ligeiramente o do coque. Uma vez que os plásticos contêm hidrogênio, ao contrário do coque, que é constituído por carbono puro, o uso da sucata plástica reduz em 30% as emissões de gás carbônico pelo alto forno. Além disso, a redução do minério de ferro pelo hidrogênio é menos endotérmica do que a variante usando carbono, reduzindo a demanda por energia desse reator. Curiosamente, isso emula os atuais esforços das usinas para reduzir sua pegada de carbono, uma vez que elas estão injetando quantidades cada vez maiores de hidrogênio em seus altos-fornos para substituir parcialmente o coque. O polietileno, com sua proporção relativamente alta de hidrogênio, é o plástico que mais reduz a geração de gás carbônico. Aliás, este polímero

também está sendo utilizado em fornos elétricos a arco para a elaboração de aços, promovendo neste caso uma redução da ordem de 12 kWh de seu consumo de energia elétrica a cada tonelada de rejeito plástico. De forma geral, cada tonelada de resíduos de plástico típicos reciclada no processo siderúrgico significa menos 4 m³ de rejeitos a serem descartados em aterros sanitários, geração de 46 GJ de energia e menos 1,8 toneladas de gás carbônico emitidas. A figura aqui presente mostra uma comparação entre a geração de energia e emissão de gás carbônico associada a cada abordagem para reciclagem de resíduos plásticos. No momento, apenas usinas no Japão (Nippon Steel, JFE, Kobe), Alemanha (Salzgitter) e Áustria (Voest Alpine) consomem regularmente resíduos plásticos em suas coquerias e altos-fornos. A POSCO (Coréia do Sul) realizou testes em 1996, bem como a ArcelorMittal Bremen e Thyssen Krupp Stahl, ambas na Alemanha, mas elas abandonaram a prática por problemas de custo e combustibilidade; também a Baosteel (China) apenas efetuou alguns testes. De toda forma, a fração de resíduos plásticos que vem sendo reciclada dessa forma é muito pequena – menos que 2% na Europa e menos que 3% no Japão. Até onde se sabe, nenhuma siderúrgica brasileira recicla resíduos plásticos dessa forma.

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SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

Distorções, Trincas e Tensões Residuais

odos nós, profissionais do setor metalúrgico, sabemos que o nosso objetivo é viabilizar economicamente a empresa para a qual trabalhamos, entre outros. Pra fazer isso, é preciso que a gente busque implementar o estado da arte nas nossas atividades de Engenharia e de produção. Caso o profissional não conheça ou não utilize a simulação computacional no seu processo, já é mais do que hora de se dar a oportunidade a inovar, a lançar mão de consultorias, a elaborar um projeto de desenvolvimento que comtemple a implementação de ferramentas de simulação. Para aqueles que já conhecem simulação, mas que só a utilizam em algumas situações ou nunca utilizaram em processos de tratamentos térmicos, a sugestão é a mesma: menos ceticismo, mais Engenharia, mais persistência. A grosso modo, um produto com trinca é sucata. Um produto com distorções pode ser rejeitado. Um produto com tensões residuais pode levar a uma redução significativa da sua vida útil, ou mesmo inviabilizar operações

ALISSON DUARTE alisson@sixpro.pro Atua no setor de Engenharia da SIXPRO Virtual&Pratical Process. É também professor do Dep. de Eng. de Materiais da UFMG e do Dept. de Eng. Metalúrgica da PUC Minas. Possui Pós-Doutorado em Metalurgia da Transformação.

Fig. 1. Medição da tensão residual superficial em um pinhão e (b) a previsão da martensita formada na peça em uma das suas seções de corte [Sixpro e SEW-EURODRIVE Brasil. Tensões Residuais em Engrenagens Tratadas Termicamente: Medições e Simulação. Revista Engrenagens, p10-13, Mar/2020] 26 ABR A JUN 2020

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subsequentes de processo. Eliminar ou reduzir esses defeitos é normalmente uma tarefa nada simples, especialmente utilizando-se tentativa e erro. Tentativa e erro significam atuar às escuras. Significa atuar em um processo baseado na sua própria experiência profissional e na observação limitada a olho nú. É atuar faltando compreensão aprofundada do fenômeno produtivo, é não conhecer as tensões internas que ocorrem na peça durante o processo e nem tampouco as tensões residuais, ou mesmo compreender o desenvolvimento de fatores que influenciam na geometria final, incluindo seus possíveis defeitos. Em edições anteriores desta revista, a coluna Simulação tratou, inclusive, da previsão de distorções e indicadores de trincas. Esses fenômenos possuem origem na ocorrência de tensões internas durante o processo, podendo ou não ser maximizadas por tensões pré-existentes, provenientes de processos de conformação ou outros. Mas vou utilizar como exemplo a recente publicação na revista Engrenagens, referente a um estudo realizado entre a Sixpro e a SEW, utilizando os softwares QForm e JMatPro. No caso mostrado na Fig. 1, um pinhão foi cementado, temperado e revenido. Observa-se a distribuição relativa de martensita, maximizada na camada temperada. Com isso, observou-se tensões residuais compressivas na superfície e tensões mais trativas abaixo da camada mais endurecida, a qual também teve um aumento acentuado de volume em razão da maior formação martensítica. As tensões atuantes na peça durante o processo poderiam resultar em trincas, enquanto as tensões residuais podem vir a facilitar a fratura prematura da mesma. O simulador é o nosso equipamento virtual de tratamento térmico, cabendo a nós modificar os seus parâmetros, correlacionar com as tensões resultantes e, então, aplicar no processo produtivo.

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO

Corrosão: Oportunidades e Desafios

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 expor um item de grande relevância para o setor automotivo e principalmente no Brasil, a “corrosão”, que, diga-se de passagem, trata-se de um inimigo silencioso que destruiu 4% do PIB brasileiro só em 2015 (R$ 236 bilhões), pontuado pela entidade International Zinc Association em parceria com a USP, e ainda é o problema que se agrava nas zonas litorâneas com um impacto 150 vezes maior em comparação as zonas rurais. O interesse nesta coluna é direcionar para as oportunidades de estudos e avanços que são facilmente encontrados nos centros de P&D, abordando os mais diversos métodos protetivos a base de inibidores, revestimentos e proteção catódica ou anódica, modificadores do potencial ou da natureza do próprio metal; entendendo que a corrosão não é só um problema dos metais, ela é encontrada na degradação de cadeias de materiais poliméricos e no concreto por ação dos sulfatos. Dentro do setor automotivo, cito épocas anteriores à década de 80, onde nossos veículos se desmanchavam em corrosão e a população achava isto normal, mas poucos sabem o quanto este setor evoluiu deste então com uso de revestimentos metálicos (galvanização, cromagem, niquelação) e não-metálicos inorgânicos (tintas, vernizes e resinas) e anodização. Lembro aqui um momento inusitado de discussões com alemães para debater por que nossos aços resistiam mais do que os deles, e é interessante relatar que a impureza de nossos aços naquela época era o responsável pelo leve aumento da vida dos mesmos; parecia ironia, mas o alto teor de impurezas residuais, fruto da baixa qualidade de dos aços locais, resultava em uma leve camada protetiva superficial. A partir da década de 80, começou-se a

aplicação de camadas protetivas a base de zinco e ainda, o avanço da aplicação de tintas à base de Elpo, e por fim, chegamos atualmente com produtos automotivos resistentes à corrosão em até 10 anos. Mas nem tudo é uma maravilha, da mesma forma que a resistência à corrosão aumentou, a exigência do consumidor também, valores recentes de garantia de até 10 anos já não são mais suficientes, hoje tratamos de 15 anos como uma realidade em nossos veículos. Toda esta melhoria entra em conflito com o custo final do produto, por isto, o setor ainda é carente de opções e tecnologias para reduzirem os impactos no valor final dos componentes. Cito alguns exemplos: é muito comum observar em nossas casas equipamentos domésticos que trocaram os aços inoxidáveis por aços ao carbono pintados com um bom desempenho em corrosão. No setor automotivo, revestimentos em apenas um dos lados das chapas, redução da gramatura de zinco e aplicação de projetos mais inteligentes, como por exemplo: design que evitam a aprisionamento de umidade, metal de sacrifício, entre outros [1]. Também, sabemos que o sistema de exaustão dos veículos tem evoluído muito no mundo, desde o início do uso de chapas comuns aluminizadas para atualmente o uso de ligas nobres de aços inoxidáveis austeníticos com revestimento superficial para casos mais críticos, e neste ponto classifico o Brasil ainda está na fase dois, com aplicação do aço inoxidável ferrítico SAE 409, havendo muito pela frente [2]. O tema corrosão é amplo, mas quero me dedicar em alguns tópicos que ganharam muita relevância, uns na linha de proteção metálica a base de MgZn e AlSi, que têm uma eficiência bem superior aos comuns mesmo com quantidades bem inferiores, e as tecnologias de emprego de diversas camadas de proteção, como o nanofosfato, o Elpo, base coating, tinta e o Industrial Heating

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PESQUISA E DESENVOLVIMENTO verniz. Vale uma ressalva aqui: pinturas recondicionadas são de resistências bem inferiores do que as originais de fábrica. Uma tecnologia muito original e de grande relevância atual está no estudo da nanotecnologia em diversas formas, como por exemplo, em pinturas auto cicatrizantes; que poderiam sugerir a remoção ou redução do zinco, em vista da tinta não perder sua eficiência mesmo com riscos e danos superficiais, e outros estudos a base de grafeno em pinturas imunes ao risco, seja por sua alta resistência ou alta resiliência. Não precisa muito para identificar temas de estudo que certamente serão apoiados pelas entidades e o setor automotivo, neste ponto consultei a pesquisadora e professora da Fundação Santo André, Camila Boldrini, que tem vivido este campo, e relatou seus estudos com o IPT e a UFABC: “O IPT/SP conta com um laboratório com equipamentos para ensaios de imersão, analisadores de corrosão interna por meio de sensores, MEV e MET, loops de corrosão, análise de métodos de proteção em tanques empregados para armazenamento de petróleo e derivados, avaliando-se a eficiência da proteção e possíveis contaminações através da simulação, como também análises mais simples, como a de corrosão por pites por meio de um potenciostato. A UFABC campus de Santo André, também conta laboratórios de

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corrosão equipados com potenciostatos, ensaios de corrosão sob tensão, ensaios com a Técnica do Eletrodo Vibrante por Varredura (SVET) e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica Localizada (LEIS). As pesquisas têm sido voltadas ao desenvolvimento de revestimentos para aplicação na proteção de ligas metálicas, como também para o estudo de novas ligas que tem chamado muita atenção recentemente: as ligas de alta entropia, que apresentam composições equiatômicas com mais de cinco elementos e exibem um excelente comportamento frente à corrosão, tal como elevada dureza e resistência mecânica em altas temperaturas”. Se o tema corrosão ainda é muito importante, certamente qualquer investimento nesta área será muito bem recompensado. Um abraço e até a próxima coluna IH. Referências [1] COLOSIO, Marco A.; Revista Industrial Heating; A Complexidade dos Revestimentos Protetivos em Aços Planos; JUL A SET 2019 23. [2] COLOSIO, Marco A.; Revista Industrial Heating; A complexidade do uso de aços Inoxidáveis nos sistemas de exaustão automotivos; OUT A DEZ 2016 24.

TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

Comemorando um Século de Indução Michael Evans – The Ohio Crankshaft Company; Cleveland, Ohio, EUA Ajax TOCCO Magnethermic alcançou no mês de Maio deste ano um centenário de fabricação de sistemas de aquecimento por indução, sistemas de fusão, sistemas de solda de alta frequência e fontes de alimentação.

Ajax TOCCO Magnethermic e a Ohio Crankshaft são subsidiárias integrais da Park Ohio Holdings. A Park Ohio é uma empresa internacional diversificada que fornece a clientes de classe mundial um serviço de terceirização de gerenciamento da cadeia de suprimentos, equipamentos de capital utilizados em suas linhas de produção e componentes manufaturados usados para montar seus produtos. Sediada em Cleveland, Ohio, EUA, a Park Ohio opera mais de 125 locais de fabricação e instalações de logística da cadeia de suprimentos em todo o mundo. Por que essa primavera é tão importante? A TOCCO e a Park Ohio devem o seu começo a dois jovens engenheiros, William C. Dunn e Francis S. Denneen, que fundaram a empresa Ohio Crankshaft em maio de 1920 em uma pequena garagem em Cleveland, Ohio. Essas empresas comemoram 100 anos de excelência em fabricação este mês, o que não é uma conquista pequena. A Park Ohio foi criada em 1967 pela fusão da Park Drop Forge, fundada em 1907 e que forjava virabrequim de locomotivas e peças de trem de pouso em matriz fechada, e Ohio Crankshaft. Uma parte essencial da história foi o desenvolvimento de um processo e produto revolucionário que resistiria ao longo do tempo e mostraria a engenhosidade dos dois fundadores da Ohio Crankshaft, que tinham uma incrível visão futurista de fabricação. O Processo TOCCO O processo de aquecimento por indução (originalmente

descoberto em 1831 por Michael Faraday) foi aperfeiçoado por Dunn e Denneen, da Ohio Crankshaft, em 1934, para melhorar a vida útil dos virabrequins e eixos de comando. Eles o chamaram de processo TOCCO (sigla para The Ohio Crankshaft Company). Produtos O (s) produto (s) eram eixos de comando e virabrequins muito superiores que forneceriam energia eficiente e duradoura e confiável para as indústrias automotiva, caminhões, ônibus, locomotivas e marítimas. Não era incomum que os virabrequins mostrassem desgaste em motores com apenas 30.000 a 50.000 milhas durante esta época. Processo O processo TOCCO permitiu a têmpera localizada de

Fig. 1. Eixo de comando de locomotiva imediatamente antes da têmpera Industrial Heating

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TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

Tratamento térmico por indução: Magnescan QS No passado, a maioria dos processos de aquecimento por indução era controlada por inspeção constante das peças, geralmente exigindo cortes de amostras para ensaios metalográficos. A inspeção ocorria várias vezes ao dia para garantir que a peça aquecida por indução estivesse “dentro das especificações”. Agora é possível permitir que os controles da máquina monitorem todos os parâmetros do processo e avisar com um certo grau de certeza se a peça aquecida por indução é boa ou ruim. Ainda serão necessários cortes metalográficos, mas em uma escala muito menor, com base nos dados derivados dos controles da IHM. Isso é amplamente realizado com o monitoramento de processos em tempo real. Antes que isso aconteça, a parte aquecida por indução deve ser analisada quanto a parâmetros críticos do processo. Aqui está listado um grupo mínimo de parâmetros que devem ser controlados e monitorados. • Peça para posição da bobina do indutor; também chamado de “acoplamento” ou “folga de ar” • Velocidade de rotação da peça (especialmente crítica para curtos tempos de aquecimento na faixa de 1-3 segundos) • Duração do tempo de aquecimento (se estático) ou todo o processo de digitalização (se incremental) • Nível de potência ou kilowatt • Quilowatt segundos; a combinação do tempo de aquecimento multiplicada pelo nível de quilowatt • Tempo de atraso para extinção • Tempo de têmpera • Concentração de têmpera (se não for água) de polímero • Temperatura de resfriamento • Fluxo de têmpera • Pressão de resfriamento

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TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

peças com profundidade consistente, excelentes propriedades metalúrgicas e uma zona endurecida por superfície que se mistura sem uma zona de demarcação, o que significa que não há descamação ou fragmentação de metal e com muito pouca distorção. O resultado é um processo de endurecimento que levaria apenas alguns segundos em comparação com outros processos da época - como nitretação, cromagem e cianetação - que poderia levar 24 horas (ou mais). O processo TOCCO produziu virabrequins que aumentaram a vida útil de caminhões fora da estrada para mais de 500.000 milhas. O processo TOCCO não foi apenas usado para endurecer por indução os virabrequins de Ohio, os dois fundadores projetaram e construíram sistemas de máquinas TOCCO para temperar peças, grandes e pequenas, além de design simples e intrincado, para todas as indústrias imagináveis. Embora o setor de indução tenha se tornado global, com fusões, start-ups e muitos nomes outrora familiares agora mudados ou mesclados, os princípios básicos, teorias e física da indução não mudaram muito. No entanto, a eletrônica certamente sim. Os geradores por motores e os osciladores do tipo tubo de rádio tornaram-se praticamente uma coisa do passado. Eles foram substituídos por eletrônicas digitais, comunicações sem fio para fontes de alimentação sólidas e controles e sistemas muito mais poderosos, repetitíveis e precisos.

Fig. 2. Um sistema inicial de tempera por indução de virabrequim TOCCO

Fig. 3. Construção atual do sistema Ajax TOCCO

Tratamento térmico por indução: Magnescan QS (continuação) Existem outros parâmetros que devem ser monitorados com base na configuração exclusiva da peça. Isso deve ser estabelecido no estágio inicial do projeto do sistema de indução. Como isso tudo é possível? Pacotes de software foram desenvolvidos para que cada processo crítico possa ser analisado. Depois que uma boa peça metalúrgica é estabelecida, você “aprende” o perfil do processo. Isso configura uma assinatura digitalizada para cada parâmetro do processo. Com esse perfil, você pode definir limites altos e baixos (em porcentagem, como 2%, 5%, 10%). Se as peças aquecidas subsequentes ficarem fora desses limites, ele acionará uma indicação de “peça defeituosa”. Você pode estabelecer a causa dessa peça incorreta a partir dos dados com perfil. Cada peça aquecida gera um registro de dados armazenados que pode ser vinculado à peça real com um scanner de código de barras. No passado, fomos forçados a inspecionar o caminho Bill Dunn para obter boas peças tratadas termicamente. Agora em Recebe o 2020, é possível deixar nossas máquinas de indução fazer- Prêmio Trinks em esse trabalho por nós.

“Ao apresentar o prêmio, eu, Stanley Wishosky, editor da revista Industrial Heating Magazine, elogio o Sr. Dunn por seu trabalho pioneiro.”

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TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

Atualmente, o Ajax TOCCO possui um sistema de têmpera por indução de 200 kW, 20 KHZ que foi construído e está pronto para ser enviado aguardando a aprovação final do cliente das peças de teste e da configuração das amostras metalúrgicas. Este sistema possui todos os acessórios que agora são considerados comuns: interface sem fio da fonte de alimentação (acionada por Windows) aos controles / computador da máquina. O sistema está equipado com um leitor de código de barras que permite que todas as informações de processamento levem à perfeita tempera por indução da peça. O fluxo do meio de resfriamento, pressão, temperatura, tempos de aquecimento, kW e segundos são registrados peça a peça, armazenando o histórico de cada peça executada. O desligamento automático do sistema, se algum parâmetro operacional não for atendido, a concentração de têmpera, a temperatura, o alinhamento de peças, etc. eliminam a maioria dos “oops” do processo. Não há mais manuais de operação perdidos ou desenhos de máquinas, pois eles são armazenados nos controles para fácil recuperação e referência.

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Conclusão O futuro da indução se adaptará a produtos e materiais exóticos que ainda não foram descobertos ou imaginados. A tecnologia e os processos de indução continuarão evoluindo e melhorando para atender às demandas em constante mudança das indústrias automotiva, aeronáutica e médica. A indústria automotiva, mesmo que se torne mais acionada por eletricidade, ainda exigirá a durabilidade da transmissão, suspensão e outros componentes de hardware necessários que a tempera por indução pode fornecer. Muito se deve a dois jovens engenheiros empreendedores que tiveram uma visão e um sonho de 100 anos atrás, que resistiram ao teste do tempo e ao enorme papel que tiveram na indústria metalúrgica. E tudo começou em uma pequena garagem nas sombras da outrora crescente indústria siderúrgica de Cleveland. PARA MAIS INFORMAÇÕES: Michael Evans é gerente de compras da a Ohio Crankshaft Company, Cleveland, Ohio; tel: + 55 1-216-341-7068; e-mail: mevans@park-ohio.com; web: ohio-crankshaft.com ou pkoh. com.

VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

Desenvolvimentos do Processamento de Plasma na Tecnologia de Tratamento de Superfície

Fig. 4. Engrenagens em condições de nitretação a plasma

David Pye – Pye Metallurgical International Consulting; Newport News, Va., EUA Este artigo apresenta informações contidas recentemente em nosso blog online. Como nem todo mundo lê The Experts Speak, queríamos que outros tivessem acesso.

ste artigo analisa os desenvolvimentos ocorridos, principalmente para tratamentos de superfície, na indústria de processamento de tratamento térmico.

Tratamentos de Superfície Os tratamentos de superfície eram inicialmente todos cementados, seguidos de austenitização, têmpera e revenimento. Logo se reconheceu que o processo de cementação era um tanto limitado. O primeiro desvio da transformação da superfície da cementação ocorreu em 1903 com o pedido de patente de Adolph Machlet para o processo de nitretação gasosa (Fig. 2). No final da década de 1920, dois metalúrgicos alemães chamados Berghaus e Wienheldt começaram a pesquisar o

tratamento de superfície do aço pela utilização do plasma. Tornou-se evidente que o uso da tecnologia de plasma poderia melhorar o tratamento de uma superfície de aço se o aço tivesse um núcleo tratado com préaquecimento seguido de nitretação, que poderia ser tratada posteriormente para produzir uma superfície resistente à abrasão. O procedimento básico de nitretação - aprimorado a gás, sal ou plasma (Fig. 4) - também ofereceu melhor resistência à corrosão e fadiga. A partir do simples processo termoquímico da nitretação, logo foi descoberto que a superfície imediata do nitreto pode ser modificada. O advento da tecnologia de processamento de plasma para tratamentos de superfície resultou em muitas novas

Técnicas de difusão termoquímica Cementar

Carbonitretar

Caixa Gás Sal Ions Gás Process temperatures 870-1065˚C Case depth: médium Difunde carbono na superfície do aço. Temperaturas do processo 870-1065˚C Profundidade da camada: média

Nitrocarbonetação Ferritica

Sal Ions Gás

Process temperature 845-900˚C. Case depth: shallow Difunde carbono e nitrogênio na superfície do aço. Temperatura de processo 845-900˚C. Profundidade da camada: rasa

Boronização

Sal Ions Caixa

Difunde nitrogênio do carbono, enxofre, oxigênio (individualmente ou combinados) na superfície do aço. Temperaturas de processo 565-705˚C Profundidade da caixa: rasa

Fig. 1. Técnicas de modificação de superfície

Nitreto

Gás Caixa Gás Sal

Difunde o boro na superfície do aço. Temperaturas de processo 760-1095˚C. Profundidade da caixa: rasa

Sal

Difunde nitrogênio na superfície do aço. Temperaturas do processo 315-550˚C. Profundidade da caixa: rasa

Fig. 2. Ilustração simples da difusão de nitrogênio (derivada da decomposição térmica de amônia) Industrial Heating

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VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

Fig. 3a. Bola luminescente de plasma simples; 3b Plasma natural; 3c. Plasma natural

oportunidades para o desenvolvimento de processos de tratamento. A Fig. 6 é um esboço da formação de camada de carbonitreto. Devido à ampla gama de opções de controle de processo para processos de nitretação baseados em plasma, como nitrocarbonetação ferritica assistida por plasma, a metalurgia resultante pode ser desenvolvida para aplicações específicas. Pré-limpeza O procedimento para pré-limpeza dentro dos limites do vaso de processo de plasma é conhecido como limpeza por pulverização. Uma analogia simples do que a limpeza por pulverização realiza é a do “jateamento” atômico. Como resultado deste procedimento, e usando menos de 5% (máximo) de argônio mais o saldo de hidrogênio, o acabamento superficial do componente a ser tratado é aprimorado. Outras Vantagens do Processamento Assistido por Plasma A nitretação e nitrocarbonetização assistidas por plasma também melhoram a resistência a cargas estáticas e

dinâmicas, além de melhorar significativamente a resistência à corrosão. Nitretação Assistida por Plasma e Nitrocarbonetação Ferrítica Outro procedimento que pode ser realizado com condições plasmáticas (deve-se notar também que resultados semelhantes podem ser obtidos por nitretação gasosa e por nitretação em banho de sal) é o da pós-oxidação para auxiliar na melhoria da resistência à corrosão. O procedimento assistido por plasma é muito simples de realizar e é realizado da seguinte maneira. Uma vez concluído o procedimento de nitretação ou nitrocarbonetação ferrítica, o recipiente do processo deve ser purgado com nitrogênio para garantir que todo o hidrogênio residual tenha sido extraído. Depois disso, um gás ou líquido contendo oxigênio é introduzido no recipiente do processo de maneira controlada. A temperatura do processo pode ser selecionada em relação ao acabamento e à cor desejada da superfície. Os meios de processo para pós-oxidação incluem um fluxo de oxigênio controlado introduzido na câmara do

Substratos de difusão

Aços de baixo carbono

Aços de liga leve

• Cementação • Cianetação • Nitrocarbonetação ferrítica • Carbonitretação

• Nitretação • Nitretação de íons

Aços Ferramenta

• Carboneto de titânio • Boretação • Nitretação de sal • Nitretação de íons • Nitretação de gás

Fig. 5. Tratamentos de difusão do substrato 34 ABR A JUN 2020

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Aços Inoxidáveis

• Nitretação de gás • Carboneto de titânio • Nitretação de íons • Nitrocarbonetação ferrítica

Zona composta, fase dupla Zona de difusão composta por nitretos formados Zona de transição da zona de difusão para o material do núcleo Material do núcleo

Fig. 6. Uma ilustração esquemática da camada formada por nitreto (por processamento por gás, sal ou plasma)

VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

1. Deposição de vapor químico (CVD)

2. Deposição de superfície física (PVD)

Deposição superficial assistida por plasma Fig. 7. Uma ilustração visual dos procedimentos de deposição de superfície assistida por plasma

processo. Alternativamente, pode ser introduzido dióxido de carbono ou vapor de água. A temperatura pode ser selecionada para corresponder a uma temperatura de revenimento específica. As estruturas resultantes do processo de nitretação assistida por plasma ou nitrocarbonetação ferrítica com pós-oxidação são discutidas aqui. Camada de Óxido • Uma camada superficial de óxido imediato denso e granulado (magnetita, Fe₃0₄) será formada. • A camada superficial imediata do óxido será quimicamente resistente e apresentará um baixo coeficiente de atrito. • A camada superficial do óxido será determinada pela temperatura do processo selecionada. Camada Composta Subsuperficial • Alta dureza superficial pode ser alcançada com valores finais de dureza de 800 a 1.400 HV (dependendo da análise química do material a ser tratado e dos parâmetros do processo de nitrocarbonetação ferrítica). • Alta resistência ao desgaste Camada de Difusão • Melhor resistência à fadiga devido a tensões compressivas residuais induzidas • Gradiente de dureza decrescente na camada de difusão e nos resultados da dureza do núcleo Deposições na Superfície Assistidas por Plasma As deposições na superfície assistidos por plasma podem ser subdivididos em dois grupos - CVD e PVD (Fig. 7). Os procedimentos de deposição de superfície assistida por plasma (PASD Plasma-Assisted Surface-Deposition ) são aplicados à superfície de um componente tratado termicamente após a conclusão dos procedimentos de endurecimento e têmpera. A nitretação assistida por plasma

Fig. 8a. Uma variedade de ferramentas de corte; Fig. 8b. Implantes corporais

é concluída com uma profundidade mínima da camada. Então, em vez de um componente que foi tratado termicamente seguido pelo tratamento de difusão da nitretação assistida por plasma, agora temos um tratamento de deposição. Esses procedimentos podem ser denominados de maneira coletiva como tecnologia de deposição de revestimento fino. Tecnologia de Deposição de Revestimento Fino A base desta tecnologia é depositar sobre um material de substrato endurecido para produzir valores extremamente altos de dureza superficial, mantendo ao mesmo tempo a metalurgia prévia do componente sujeito a este tratamento. Essa tecnologia produzirá revestimentos resistentes a abrasivos que foram depositados em um substrato nitretado que foi submetido a um método protetor de pré-limpeza e processamento. Em última análise, o procedimento oferece superfícies com baixo coeficiente de atrito e boas superfícies deslizantes. O revestimento depositado está bem ligado ao substrato nitretado e requer deposições muito finas. Na CVD (Chemical Vapor Deposition - deposição Industrial Heating

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VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

de vapor químico), que é realizada sob condições de baixa pressão (médio vácuo), o revestimento depositado é produzido iniciando quimicamente a partir de um componente gasoso a altas temperaturas. O revestimento PVD (Physical Vapor Deposition - deposição física de vapor) é derivado de um vapor metálico que deposita o revestimento extremamente duro no componente que está sendo tratado através do contato catódico com a lareira do forno de processo. As aplicações típicas dos procedimentos CVD e PVD são geralmente bem adequadas para condições de processo resistentes ao desgaste e abrasivas. As temperaturas processuais do processo são mais altas que as aplicadas à nitretação assistida por plasma e à nitrocarbonetação ferrítica assistida por plasma. As temperaturas empregadas para CVD e PVD são geralmente encontradas na região de 788 - 1038°C; portanto, o material do recipiente do processo deve ser escolhido com muito cuidado para operar de forma consistente e repetida nessas altas temperaturas do processo. Os revestimentos de deposição de nitreto de titânio

assistidos por plasma são utilizados para: • Brocas • Fresas e ferramentas de corte • Machos • Brunidores • Moldes e estampos 193/5000 A dureza superficial resultante após o processamento por nitretação de titânio assistida por plasma pode estar na região de 2000 HV, o que ajudará na resistência ao desgaste, resistência à corrosão e erosão. Revestimentos Alternativos para Deposição de Superfície Assistida por Plasma Existem revestimentos alternativos de deposição de superfície assistida por plasma que produzirão valores mais altos de dureza superficial com ligação bem sucedida do revestimento ao material do substrato nitretado. O procedimento utiliza uma temperatura de processo mais alta no mesmo forno tipo sino assistido por plasma, que será discutido agora.

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VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

Processo de Nitreto de Alumínio e Titânio (TiAlN) Este procedimento utiliza o elemento adicional de alumínio. Esta adição certamente irá melhorar a dureza imediata da superfície, bem como a estabilidade à oxidação do revestimento. Os valores de dureza da superfície do nitreto de titânio e alumínio são geralmente encontrados na região de 2700-3200 HV. Obviamente, o procedimento prolongará a vida operacional do componente, além de melhorar a resistência à corrosão da superfície. A maior dureza da superfície certamente ajudará na velocidade de corte das ferramentas. Geralmente, os depoimentos do TiAlN podem variar na região de 0,001-0,003 polegadas. Carbonitretação de Titânio (TiCN) O procedimento de carbonitretação de titânio também pode produzir valores de dureza superficial substancialmente altos na faixa de 2800-3500 HV. A adição dos carbonitretos no procedimento aumenta substancialmente o valor da dureza da superfície. Isto é obtido através da introdução de um gás hidrocarboneto no gás do processo reativo durante o procedimento. Mais uma vez, isso permite velocidades de corte mais altas com excelente adesão e também produz um coeficiente de atrito muito baixo. Cementação Assistida por Plasma Até o processo de cementação pode ser conduzido por energia de plasma. O procedimento é novamente conduzido sob condições de baixa pressão, o que garante que a presença de oxigênio seja reduzida a tal ponto

que não exista preocupação quanto à difusão de oxigênio nos limites da superfície do grão. Embora o investimento de capital de uma unidade de cementação assistida por plasma seja alto, o custo unitário por componente ou por libra dependerá do princípio de amortização empregado pela empresa. Uma vez concluído o período de amortização, o consumo de gás de processo é (na realidade) um custo mínimo de procedimento. Isso ocorre simplesmente porque, em condições de plasma, apenas o gás de processo necessário para a cementação é necessário. A prática usual de cementação (mesmo a cementação a baixa pressão) usa a quantidade de gás hidrocarboneto necessária para encher a câmara do processo. Por outro lado, o procedimento assistido por plasma utiliza apenas o gás hidrocarboneto necessário diretamente na superfície do componente. A quantidade de gás de processo de hidrocarboneto agora se torna um custo operacional mínimo. O processo é limpo e não produz odores tóxicos na fábrica. Além disso, devido ao resfriamento a água da unidade de processo, nenhum calor residual é introduzido na área de trabalho. A superfície da peça de trabalho é aprimorada devido ao bombardeio iônico da superfície, que corroerá as linhas de usinagem no componente metálico.

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ABR A JUN 2020 37

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Aumento 500%

20 μm

Análise do Ciclo Térmico do Aço 440B Fig. 3. Microestrutura do aço AISI 440B antes da tempera, atacado com vilela por 40 segundos, Microestrutura constituída de matriz feritica com carbonetos esferoidizados

Paulo Cezar Souza Junior, João Carmo Vendramim, Rick Fabian França Oliveira – UNICAMP, São Paulo, Brasil A sustentabilidade e a necessidade legal em reduzir o consumo de combustível, bem como o aumento da confiabilidade e durabilidade dos componentes, faz a indústria automotiva desenvolver sistemas cada vez mais eficientes e menos onerosos à sociedade e ao meio ambiente. Avaliar e aprimorar constantemente os processos produtivos e, principalmente, os processos térmicos, tem grande peso nessa demanda. Dessa forma, aços que apresentam alta resistência ao desgaste, alta resistência à fadiga térmica e alta resistência à fadiga por pressão são cada vez mais empregados em motores de combustão interna e seus componentes, como o assentamento da válvula do bico injetor de combustível. Este trabalho apresenta um estudo do ciclo de tratamento térmico do aço martensítico X90CrMoV18 (AISI 440B) com elevada participação do elemento Cromo (18%), além de elementos presentes na lista de materiais raros, como vanádio, para avaliar a presença de austenita retida depois dos processos térmicos de têmpera, sub-zero e revenimento. A presença de austenita retida impacta na durabilidade desse componente. As amostras do presente estudo foram produzidas após cada uma das etapas de processamento térmico para o exame das microestruturas por microscopia ótica e técnica de difração de raio-X (DRX). Os processos térmicos foram conduzidos conforme os parâmetros recomendados pelo fabricante do aço.

38 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

o objetivo modificar suas propriedades e/ou atribuir características específicas, pois a homogeneidade microestrutural incrementa as propriedades mecânicas [3, 4-5] . Cada estrutura obtida através dos tratamentos térmicos apresenta características próprias, que se transferem para o aço de forma substituicional total,

parcial e até mesmo com a combinação de estruturas presentes. Pelo exposto, pode-se avaliar qual a importância dos tratamentos térmicos para os aços, sobretudo para os aços de alto carbono e nos que também apresentam elementos de liga. Geralmente, a melhora ou piora de uma ou mais propriedades dos aços está diretamente ligada a um determinaTemperatura Austenização: 1050 ºC

1200 1000 Temperatura ºC

s componentes automotivos para sistemas de injeção são submetidos a esforços de carga com até 109 ciclos durante sua vida útil. Por isso, aços que suportam a fadiga por grandes ciclos são muito utilizados para essas aplicações. Diversos estudos apontam que mesmos aços de alta resistência também estão suscetíveis a falhar sob o limite de fadiga. Em alguns casos, a falha se dá por fraturas iniciadas em inclusões não metálicas e, em outros casos, por falhas relacionadas aos processos térmicos incorretamente conduzidos [1-2]. Tratamento térmico é a combinação de operações de aquecimento e resfriamento dos aços sob condições controladas, ou não de atmosfera, temperatura, tempo e velocidade de resfriamento com

AC1o

800 600

P 10 15 90

A+C

100

AC1b

400 200 0

Ms M 0,1

679

649

554 456 264 199 HV

102 103 Tempo S

Fig. 1. Curva de resfriamento contínuo (TRC) da liga AISI 440-B

104

105

106

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Diagrama Têmpera

Diagrama do Ciclo Térmico

70 Têmpera

55 50 45

35 30 0

Revenimento

Revenimento 160 ºC/ 2 hs

1º Passo Pré-Aquecimento 300 ºC/ 10 min

Amostra de Teste Ø = 25 mm / h = 40 mm Temperado a 1020 ºC resfriado em óleo

100

200 300 400 500 Temperatura de Revenimento

600

700

Temperatura

Dureza HRC

Sub-zero

Austenitização 1050 ºC/ 40 min. 2º Passo 450 ºC/ 30 min. Resfriamento com gás pressurizado

0 ºC 0 min

Tempo

Sub-zero -120 ºC/ 2hs

Fig. 2. Diagrama de tempera do aço AISI 440B (Traduzido [9])

Fig. 4. Diagrama do ciclo térmico aplicado neste trabalho.

do tratamento térmico. [3, 4-5]. Boa parte dos aços de baixo e médio teor de carbono (<0,6% de C), utilizados nas condições típicas do trabalho a quente (forjamento e laminação em grande parte), dependem de tratamentos térmicos que melhorem sua resistência à deformação e adequada microestrutura. Para os aços de alto carbono ou com elementos de liga, recomenda-se que sejam submetidos a tratamentos térmicos buscando aumentar sua resistência mecânica com controle de sua tenacidade antes de serem expostos ao serviço [3, 4-5]. Conforme Fig. 1, devido ao aço AISI 440B ser hipereutetóide, ele apresenta uma curva de resfriamento diferente: Curva CCT (Continuos Cooling Transformation ou Curva de Resfriamento Contínuo). Do ponto de vista prático, as transformações mais importantes ocorrem em temperatura decrescente continuamente, devido aos tratamentos térmicos que ocorrem com resfriamentos contínuos. A Fig. 1 acima, mostra a linha Ac 1e acima da linha Ac 1b onde mostra que a temperatura

crítica é superior e, indicando a separação inicial da cementita, quando esse aço entra no resfriamento, na zona crítica [10]. A martensita tem reticulado tetragonal e sua dureza é muito elevada, em alguns casos podem atingir de 820 a 900 HV. Essa alta dureza pode ser causada pelos seguintes fatores: precipitação de partículas submicroscópicas de carbonetos de ferro da solução sólida supersaturada no reticulado do ferro alfa (formado no resfriamento) onde atuam como uma espécie de chaveta que impede o escorregamento; distorção do reticulado; tensões internas; tamanho de grão muito pequeno [13]. O meio de resfriamento utilizado no aço AISI 440B pode ser gasoso, utilizando o nitrogênio (N2). O resfriamento por corrente de gás é comumente utilizado na indústria, pois apesar de ter velocidade de resfriamento inferior à do óleo, sua velocidade de resfriamento é superior à do ar calmo. É recomendado no tratamento térmico dos aços a utilização de atmosfera controlada dos fornos, para evitar oxidação e descarbonetação das peças. Com o N2 é possível, pois ele atua como expulsor

C 1400.0

Dec 29 14:28:30

Dec 29 15:43:30

Dec 29 16:58:30

Dec 29 18:13:30

Dec 29 19:28:30

1260.0 1120.0 980.0 840.0 700.0 560.0 420.0 280.0 140.0 0,0

Legenda:

Ponto de ajuste/ Temperatura objetivada

Temperatura da superfície da carga

Temperatura da atmosfera do forno

Temperatura do núcleo de carga

Fig. 5. Gráfico de Processo térmico do aço AISI 440B

20 μm

Aumento 500%

Fig. 6. Microestrutura do aço AISI 440B antes da têmpera, atacado com vilela por 40 segundos, Microestrutura constituída de matriz feritica com carbonetos esferoidizados Industrial Heating

ABR A JUN 2020 39

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

20 μm

Aumento 500%

Intensidade dos pontos

600

400

200

Fig. 7. Microestrutura do aço AISI 440B após tempera, atacado com vilela por 40 segundo

124.00

128.00

130.00

2Ø Perfil da Fase Gama

Fig. 8. Gráfico de intensidade de DRX

20 μm

Aumento 500%

Fig. 9. Microestrutura do aço AISI 440B após tempera + sub-zero, atacado com vilela por 40 segundos

do oxigênio que possa vir a conter na atmosfera do forno no momento do resfriamento. O aço deste estudo é propensão a formar austenita retida após têmpera Com o objetivo reduzir a austenita retida (residual) pós têmpera, recorre-se à técnica de resfriamento, na sequência, em nitrogênio gás à temperatura de -120 °C (+-5 °C) denominados Sub-Zero que consiste do resfriamento do aço à temperaturas abaixo de zero graus centigrados para ultrapassar a temperatura final da transformação “austenita-martensita (Mf)”. O Sub-Zero opera entre -70 a – 120° C, enquanto o processo Criogênico opera à temperatura do nitrogênio líquido. São processos onerosos e com riscos para o desenvolvimento de trinca do aço. Estudos reportam que os processos Sub-Zero e, ou criogênico, apresentaram comportamento melhor do aço para a resistência ao desgaste e fadiga, pois ocorre quase que completamente a transformação da austenita em martensita. Porém pesquisadores reportam que mesmo aplicando o processo Criogênico para as ligas ferrosas estudadas, ainda é observada uma pequena porção de austenita retida por técnicas DRX [6-7]. O método mais comum e eficaz para determinação da austenita retida é o raio X. O raio X é um método que quantifica as fases por difração de raios X (DRX), tornando possível 40 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

Intensidade dos pontos

200

150

100

124.00

128.00

130.00

2Ø Perfil da Fase Gama

Fig. 10. Gráfico de intensidade de DRX

diferenciar as fases pela diferença das estruturas cristalinas, isto é, cubica de corpo centrado (CCC) Fe-α e cubica de face centrada (CFC) Fe-γ. Com o DRX é possível calcular a fração de austenita retida a partir das intensidades de dois ou mais reflexos de Bragg da CFC e CCC. A grande desvantagem do DRX é que ele só pode ser aplicado em aços com textura cristalográfica aleatória ou quase aleatórias devido aos polos se distribuírem de forma uniforme. Quando as distribuições não são randômicas, os polos tendem a se concentrar em áreas determinadas criando regiões de orientações presenciais, ou seja, texturas cristalográficas aleatórias [8]. A austenita retida pode gerar instabilidade dimensional e a eliminação de tensões residuais. A Fig. 2 relaciona o comportamento da dureza em relação à temperatura de revenimento [9]. Materiais e Métodos Para este estudo foi selecionado a liga ferrosa martensítica ino-

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Tabela 1. Composição química da liga X90CrMoV18 / 440-B (Traduzido de [9]) %C

% Cr

% Mo

% Fe

0,85 – 0,95

17 – 19

0,90 – 1,30

0,07 – 0,12

Balanço

Agente Tratamento Temperatura (°C) Tempo de Ciclo (min) Agente de Resfriamento

Revenimento

Aquecer

Sub-zero

Têmpera

Austenitização

Pré Aquecimento

Processos

Tabela 2. Ciclo térmico recomendado

Vácuo

Vácuo 10-2Bar

Ar ou Vácuo e N2

Vácuo

1050 ± 10°C

-120ºC max.

Ambiente

180ªC ± 5

180

40 ± 10

180 ± 5

Máximo 180

120 ± 5

5 – 10 Bar

xidável DIN X90CrMoV18, equivalente AISI 440-B, de composição química mostrada na Tabela 1. Essa liga apresenta boa temperabilidade, alta resistência ao degaste e por isto utilizada em aplicações como bicos de injeção de combustível, que é o interesse deste trabalho. Foi utilizado forno VPT-4035/36N da Seco-Warwick com capacidade de vácuo de 10-2 mmbar, além de cuba criogênica, policorte, politrizes, microdurômetros e microscópios para preparação e análises das amostras. Essa liga ferrosa é fornecida no estado de recozido e na dureza em torno de 279 HV (dureza Vickers) e microestrutura conforme mostrado na Fig. 3. Após processos térmicos é esperado que a liga atinja uma dureza de aproximadamente 680 HV e microestrutura martensítica com o menor percentual possível de austenita retida. Os parâmetros de processos térmicos têmpera, sub-zero e revenimento, recomendados pelo fabricante dessa liga estão mostrados na Tabela 2. A técnica de “têmpera à vácuo” consiste em produzir vácuo à temperatura ambiente e preencher a câmara do forno com gás nitrogênio para aquecimento até temperatura da ordem de 700 °C, onde

a transmissão de calor é mais eficiente por condução e convecção. A partir de 700 °C, realiza-se vácuo para a ordem de 10-2 mm bar e aquecimento até a temperatura de austenitização / têmpera para melhor transmissão do calor e proteção da superfície do aço. Uma vez atingida a temperatura de austenitização e permanecida nesta por tempo de 20 minutos, segue-se o preenchimento da câmara com gás nitrogênio sob pressão de 5 bar, resfriando o aço até próximo da temperatura ambiente. O estágio seguinte, processo sub-zero, consiste em transferir as peças para uma cuba criogênica e resfriamento até a temperatura da ordem de -120 °C por 2 hs. O revenimento é realizado após concluído o processo sub-zero que consiste de aquecimento do aço até a temperatura de 180 °C e permanecido por tempo de 2 horas. A etapa de aquecimento para a temperatura de austenitização (temperatura de têmpera), o aço experimenta expansão dimensional, contração na zona crítica entre as temperaturas Ac1b e Ac1a e nova expansão. O inverso ocorre no resfriamento lento, porém se resfriamento rápido (gás nitrogênio sob pressão), a reação austenita-marten-

sita acontece em temperaturas baixas (Mi-início da formação de martensita dependente da composição química do aço) e pode terminar em temperatura abaixo de zero para muitas ligas ferrosas. A reação austenita-martensita é muito rápida (escorregamento de planos cristalinos) e uma vez concluída ocorre uma expansão volumétrica que pode alcançar 4% em volume. Resultados e Discussão A liga ferrosa utilizada neste estudo foi caracterizada em laboratório por espectrometria e apresentou os resultados mostrados na Tabela 3. A análise da composição química realizada por espectrometria do aço 440B deste estudo está mostrada na Tabela 3. Com maior heterogênea a austenita tem maiores chances de nucleação de carbonetos nas regiões com maior teor de carbono, ou crescimento de carbonetos não dissolvidos das estruturas perlíticas-lamelares, que ocorrem com maior facilidade a partir da austenita homogênea. Sendo assim, quanto maior a homogeneidade da austenita, maior é o deslocamento da curva C para a direita [10-11] . A Fig. 5 apresenta o gráfico de processo térmico Têmpera desenvolvido em forno utilizando a técnica de resfriamento com gás nitrogênio sob pressão e conhecido como “Têmpera à Vácuo”. Antes da operação de tempera, foram realizadas análises metalúrgicas de uma amostra, a dureza apresentou resultados próximos a 280 HV. Na Fig. 6 abaixo, podemos ver que a microestrutura do aço AISI 440B é composta apenas por ferrita e perlita, mas também é possível ver alguns carbonetos primários. Após a operação de tempera foram realizadas análise da microestrutura por microscopia ótica obtendo-se a microIndustrial Heating

ABR A JUN 2020 41

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Dec 30 08:34:30

C 1400.0

Dec 30 09:49:30

Dec 30 11:04:30

Dec 30 12:19:30

Dec 30 13:34:30

1260.0 1120.0 980.0 840.0 700.0 560.0 420.0 280.0 140.0 0,0

Legenda:

Ponto de ajuste/ Temperatura objetivada

Temperatura da superfície da carga

Temperatura da atmosfera do forno

Temperatura do núcleo de carga

Fig. 11. Gráfico de Processo térmico do aço AISI 440B

20 μm

Aumento

Fig. 12. Microestrutura do aço AISI 440B após tempera + sub-zero + revenimento, atacado com vilela por 40 segundos

Intensidade dos pontos

200 150 100 50 0

124.00

128.00

130.00

2Ø Perfil da Fase Gama

Fig. 13. Gráfico de intensidade de DRX

estrutura da Fig. 7 com dureza de 690 HV. Na Fig. 7 abaixo, é possível ver que após a tempera a microestrutura não foi totalmente transformada em martensita, sendo possível ver alguns carbonetos primários e secundários dissolvidos na matriz. A precipitação de partículas submicroscópicas de carbonetos de ferro alfa 42 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

pode ser uma das causas dessa dureza elevada, pois os carbonetos de ferro em solução sólida supersaturada no reticulado atuam como uma chaveta impedindo o escorregamento dos planos cristalinos e distorção do reticulado. A quantificação da austenita retida realizada por DRX quantificou, aproximadamente, 60% de austenita retida conforme Fig. 8 [12,13-14] . Depois do tratamento Sub-Zero, logo após a têmpera, a inspeção da microestrutura por microscopia ótica obteve a imagem mostrada na Figura 9 constituída de martensita não revenida, carbonetos secundários dissolvidos e carbonetos primários. A dureza alcançada pós Sub-Zero foi de 700 HV. E análise de austenita retida por DRX mostrado na Fig. 10 apresentou 12% de austenita retida. Conforme Fig. 11 abaixo, o revenimento do aço AISI 440B foi realizado à 180 °C, por 2 horas com vistas a reduzir tensões da martensita formada na tempera e sub-zero e adequar propriedades mecânicas como, por exemplo, a dureza. A Tabela 4 resume os resultados obtidos neste estudo para austenita retida. Após a operação de revenimento, foi realizada análise metalúrgica de uma

amostra: a dureza apresentou resultados próximos a 680 HV. Na Fig. 12 abaixo, podemos ver que, mesmo após a realização do revenimento, a microestrutura do aço não é completamente transformada, pois ainda identificado austenita retida. Podemos perceber também que a dureza caiu cerca de 20 HV com relação à dureza medida na amostra antes do sub-zero. Para quantificação da austenita retida foi realizado DRX e identificado, aproximadamente, 6% de austenita retida, conforme Fig. 13. Conclusão Para este estudo de austenita retida presente no aço 440B depois de realizados os processos térmicos convencionados, tem-se: • Ciclo térmico desenvolvido conforme estabelecido pela “carta de parâmetros de processos térmicos” do fabricante da liga ferrosa; • A dureza especificada está atendida; • A microestrutura examinada por técnicas de DRX mostrou a presença de austenita retida da ordem de 6% depois do revenimento; • Austenita retida desejável de 2% não alcançada neste estudo. A presença de austenita retida observada no DRX acima do que seria desejável sugere a necessidade de se introduzir um segundo revenimento e realização de nova avaliação. Porém, era esperado que o nível de austenita retida após a realização de todo o ciclo térmico fosse inferior a 2%. Sendo assim, é recomendado a realização de um segundo revenimento com temperatura inferior, objetivando então o nível de austenita retida esperado. Referências [1] SCHMID, S. et al. Effect of frequency and

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PARA MAIS INFORMAÇÕES: Contate Paulo Cezar Souza Junior, João Carmo Vendramim, Rick Fabian França Oliveira, UNICAMP, São Paulo, Brasil; tel: +55 (19) 98223-0215; email: p191520@g.unicamp.br

Tribology International, [s.l.], v. 95, p.358-371, mar. 2016. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2015.11.046. [12] LIU, L. et al. Optimum properties of quenching and partitioning Industrial Heating

ABR A JUN 2020 43

CARACTERIZAÇÃO CARACTERIZAÇÃO&& TESTE TESTEDEDEMATERIAIS MATERIAIS

Pesquisadores Trabalham para Projetar Sistema de Têmpera que Controla a Distorção Victoria Birk Hill – Metal Processing Institute at WPI; Worcester, Mass, EUA Peças de aço usadas nas indústrias automotiva, aeroespacial e de equipamentos pesados dependem de tratamento térmico, especialmente a têmpera, para obter as propriedades mecânicas desejadas.

rápida transformação de fase e os altos gradientes térmicos que ocorrem durante a têmpera podem causar distorção, o que pode levar a custosas usinagens e/ou rejeições. O estresse residual e a deformação induzida pela têmpera são conseqüências de complexas interações entre os parâmetros de transformação de fase, transferência de calor e tensão no Aço (Fig. 1). É por esse motivo que os pesquisadores do Centro de Excelência em Tratamento Térmico (CHTE -Center for Heat Treating Excellence) do Worcester Polytechnic Institute (WPI) dos Estados Unidos estão trabalhando para identificar os parâmetros do processo de tratamento térmico para controlar a distorção e o stress residual. A equipe que trabalha na pesquisa inclui: Richard D. Sisson Jr., George F. Fuller, professor Transformação de fase induzida por estresse Estresse/Tensão

Microestrutura Tensão de transformação

Estresse térmico

Composição química

Transformação de fase dependente da temperatura Calor latente da transformação de fase

Calor induzido por estresse Temperatura/tempo

Fig. 1. A interação entre tensão, deformação, microestrutura e temperatura 44 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

de engenharia mecânica da WPI e diretor técnico da CHTE; Mei Yang, professor assistente de pesquisa do WPI e diretor técnico associado do CHTE; e Haixuan Yu, Ph.D. estudante de ciência e engenharia de materiais na WPI. O objetivo geral da pesquisa é ajudar a fornecer à indústria de fabricação parâmetros de processamento de tratamento térmico que ajudarão a reduzir significativamente os custos. Este documento descreve o trabalho que foi feito até agora em três áreas-chave. 1. As medições do coeficiente de transferência de calor (HTC - Heat-Transfer Coefficient) do óleo de resfriamento alphaquench 5300 [1] são realizadas em função da temperatura com agitação selecionada e temperatura inicial do resfriamento usando o sistema de sonda de resfriamento CHTE [2]. 2. Os experimentos de têmpera com corpos de prova NAVY C-RING que são selecionados porque oferecem uma ampla gama de secções transversais, com a correspondente taxa de resfriamento, são descritos e discutidos. 3. A modelagem de tratamento térmico, usando o código 20 Rosca por polegada 1/4" L - 1/4" D Ponta da sonda 3/4"

1/16" Parafuso de fixação Allen #6 - 32 Rosca por polegada Acoplamento

Termopar tipo K

3/8" 1-1/2"

1-1/2"

Fig. 2. Conjunto de acoplamento da sonda de têmpera CHTE

CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS

comercial de tratamento térmico DANTE, é apresentada. Para fins de esclarecimento, o DANTE é um software de análise de tratamento térmico que é um pacote de integração de elementos finitos que acompanha as transformações termo-mecânicas e de fase. O objetivo é usar este software para prever a distorção na peça em função dos parâmetros de tratamento térmico.

3000 2500 2000

Fig. 5. Amostras fabricadas em aço AISI 4140 usando torno CNC Tabela 1. Plano de teste para o experimento de têmpera Teste Nr.

Amostra Nr.

Velocidade da bomba

1,2

Sem agitação

850

3,4

25% agitação

850

5,6

55% agitação

850

7,8

25% agitação

900

9,10

25% agitação

950

de polegada (# 6-32) foi usado no acoplamento para apertar o termopar e a sonda. Resbond 989, uma cerâmica de

55% Velocidade da bomba; 850˚C 25% Velocidade da bomba; 850˚C 0% Velocidade da bomba; 850˚C

Ms AISI 4140 (326˚C)

1500 1000 500 0

0 200 400 600 800 Temperatura, ˚C

Coeficiente de transferência de calor, W/ m2k

Medindo o Coeficiente de Transferência de Calor usando a Sonda de Resfriamento CHTE As sondas de têmpera são usadas para medir o HTC na interface entre óleo e material. A análise das medições fornece uma curva do HTC em função da temperatura. Essa curva é uma entrada necessária para simulações de DANTE. A geometria da sonda de resfriamento CHTE projetada e usada para teste, juntamente com o acoplamento, é mostrada na Fig. 2. O diâmetro da sonda é de 3/8 polegadas e o comprimento da sonda e do acoplamento é de 3 polegadas. Um parafuso de ajuste Allen de 1/16

3000 2500 2000

Temperatura inicial de têmpera, °C

alumina de alta pureza, foi aplicada à interface entre a sonda e o acoplamento para eliminar o vazamento de óleo durante a têmpera. A sonda de têmpera 25% Velocidade da bomba; 950˚C 25% Velocidade da bomba; 900˚C 25% Velocidade da bomba; 850˚C

Ms AISI 4140 (326˚C)

1500 1000 500 0

0 200 400 600 800 1000 Temperatura, ˚C

Fig. 4. Coeficiente de transferência de calor do óleo de têmpera alphaquench 5300 com (a) velocidade da bomba selecionada / nível de agitação e (b) temperatura de início da têmpera selecionada Industrial Heating

ABR A JUN 2020 45

CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS

CHTE usinada em um torno CNC Haas ST-30Y é mostrada na Fig. 3a. A sonda de resfriamento CHTE montada é mostrada na Fig. 3b. A Fig. 4 mostra que o HTC aumenta com o aumento do nível de agitação, enquanto a temperatura inicial do resfriamento não tem efeito significativo sobre o HTC. Experimentos de Têmpera com os Corpos de Prova NAVY-C O corpo de prova Navy-C oferece diferentes taxas de resfriamento devido às suas diferentes seções transversais. Suas várias taxas de resfriamento e transformação de fase resultam em tensões residuais e distorção geométrica. O corpo de prova Navy-Cé muito conveniente para capturar esses efeitos combinados. Sua sensibilidade a esses efeitos combinados é agregada no nível macroscópico por alterações na largura da abertura de seu espaço na área mais fina. Portanto, o corpo de prova Navy-C permite um controle de qualidade de processo acessível, pela colocação de alguns anéis alguns anéis junto com as cargas de tratamento térmico. A consistência do tamanho da abertura, carga após carga, é uma indicação de um processo estável (ou seja, qualidade das peças).). No presente trabalho, este fato permitiu a validação do modelo e melhor compreensão da sensibilidade do processo., Para investigar a correlação entre os parâmetros de processo e as distorções dimensionais induzidas pela tempera, os corpos de prova Navy-C foram fabricados com aço AISI

4140, laminados a quente e torneados para barras redondas usando torno CNC Haas ST-30Y (Fig. 5). Dez corpos de prova Navy-C foram confeccionados para as experiencias de tempera, e o plano de testes é apresentado na Tabela 1. As peças de teste e a sonda de resfriamento foram amarradas a um cesto de resfriamento, aquecidos em um forno atmosfera AFC-Holcroft CJ-4718 a temperaturas de início de resfriamento selecionadas por 40 minutos e resfriado em óleo de resfriamento alphaquench 5300 com várias velocidades de bomba e direcionamentos de resfriamento. A abertura do gap foi medida por um micrômetro eletrônico IP54 da Fowler [3] após experimentos de têmpera. A taxa de fluxo do óleo de resfriamento com velocidades de bomba selecionadas foi medida pelos medidores de velocidade de corrente Swoffer. Modelagem do Tratamento Térmico Usando DANTE A modelagem de tratamento térmico do corpo de prova Navy-C foi realizada usando o software de análise de elementos finitos (FEA - Finite Element Analysis) ABAQUS, acoplado ao software com o software de análise de tratamento térmico DANTE. A Fig. 6 mostra o modelo tridimensional de elementos finitos (FE) do corpo de prova Navy-C para simulação de tratamento térmico. Para obter resultados de Tabela 2. Configuração de FE para as simulações Operação

Parâmetro

Valor

Etapa 1: Aquecimento

Código

DANTE

Geometria da Amostra

Fig. 6

Propriedades do Material

Aço AISI 4140 da base de dados DANTE

Temperatura Inicial

20°C

Temperatura de Austenitização

850°C, 900°C, 950°C

Tempo

40 minutes

Código

DANTE

Tempo

15 segundos

Código

DANTE

Tempo

2 segundos

Código

DANTE

Coeficiente de transferência de calor

Função da temperatura medida pela sonda de resfriamento CHTE

Fluído de têmpera

Alphaquench 5300

Tempo

5 minutos

Etapa 2: Transferência aérea

Etapa 3: Têmpera por imersão

X-Y Plano de simetria

E F D

Z Etapa 4: Têmpera

Y-Z Plano de simetria

Fig. 6. Modelo sólido e malha de elementos finitos usados para simulação de tratamento térmico 46 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS

0.5

Simulação DANTE Resultado experimental

0.5

Abertura de folga, mm

0.6

0.4 0.3 0.2

a) 0

Velocidade da bomba, %

Resultado experimental Simulação DANTE

0.4 0.3 0.2 0.1

b) 850 900 950 Temperatura inicial de têmpera , °C

Fig. 7. Abertura de folga com velocidades de bomba selecionadas e temperaturas de início de resfriamento após o resfriamento

simulação precisos, uma malha mais fina foi aplicada perto da superfície. Devido à simetria da amostra, apenas um quarto da peça foi simulada. A malha FE consistia em 21.584 nós e 18.900 elementos quádruplos. O nó A foi usado para medir a distorção do gap após a simulação de tratamento térmico. Os nós B, C, D, E e F foram utilizados para rastrear a temperatura, taxa de resfriamento e fração de fase na simulação de resfriamento. A configuração do FE para a simulação está resumida na Tabela 2. O tempo de transferência ao ar é o mesmo que o tempo medido no experimento de resfriamento. A constante HTC como função da temperatura foi aplicado a todas as superfícies da peça. “Usamos este software DANTE para nos ajudar a prever os efeitos da geometria e dos parâmetros do processo de tratamento térmico e, em particular, a capacidade de resfriamento do meio de resfriamento utilizado para extinguir”, disse Sisson. Conforme a Fig. 7, tanto nos resultados da simulação, quanto os experimentais a velocidade da bomba de agitação causou maior distorção nos corpos de prova Nvy-C. As temperaturas de inicio de resfriamento selecionadas não afetaram significamente a distorção de tratamento térmico.

Principais Resultados e Conclusões • Os resultados da simulação concordam perfeitamente com os resultados experimentais. Devido à geometria da amostra, a diferença de resposta de têmpera entre a ponta e o núcleo é significativa. A taxa de resfriamento na região da ponta é muito maior que a da região central e a distorção também está relacionada à transformação de fase em vários locais durante a têmpera. • Níveis mais altos de agitação podem produzir taxas de resfriamento mais altas na porção inferior do do corpo de prova Navy-C e transformar mais austenita em martensita, em vez de bainita inferior o que aumenta a abertura do espaço devido à densidade relativamente baixa (ρ) da martensita. • As temperaturas de início da têmpera selecionadas não afetam significativamente a abertura da folga, pois não influenciam a HTC durante a têmpera. • O projeto do experimento (DoE) combinado com a análise de variância (ANOVA) foi usado para identificar o tipo de óleo, geometria da peça, velocidade de agitação, temperatura do óleo e orientação de resfriamento como os cinco parâmetros de processamento mais importantes durante o resfriamento Dos corpos de prova Navy-C. Esses

parâmetros de processamento têm maior impacto no número Biot; quanto maior o número de Biot, maior a distorção do componente temperado. • Também foi realizada a modelagem do tratamento térmico do corpo de prova Navy- C usando DANTE com uma série de aços selecionados, assim como o efeito do teor de carbono na abertura do corpo de prova. O aumento do teor de carbono corresponde a um aumento na abertura. Essa tendência continua até o teor de carbono de 0,5% ; acima desse teor o efeito inverte, devido ao aumento da austenita retida.. O DoE combinado com a ANOVA foi usado para identificar as características importantes da curva HTC durante a têmpera do corpo de prova Navy-C. • O efeito dos parâmetros, em ordem decrescente de importância, são: temperatura Ms, HTC em na temperatura Ms, HTC max, HTC em convecção, HTC em LF e Tmax. A revisão da tradução deste artigo foi gentilmente feita por Shun Yoshida da Combustol Tratamento Térmico.

PARA MAIS INFORMAÇÕES: Entre em contato com Richard D. Sisson Jr., diretor do Centro de Tratamento Térmico Excelência, Worcester Polytechnic Institute, 100 Institute Road, Worcester, MA 01609; tel: +55 508-8315335; e-mail: sisson@wpi.edu; web: www.wpi. edu/+chte.

Referências Disponíveis Online

Industrial Heating

ABR A JUN 2020 47

SINTERIZAÇÃO & MANUFATURA ADITIVA

A Influência de Parâmetros de Revenimento na Microestrutura e Propriedades Mecânicas de Aços PM de Baixa Liga Tratados Termicamente (Parte 1) Amber Tims, Roland Warzel III and Bo Hu – North American Höganäs; Hollsopple, Pa. Bob Aleksivich – Vision Quality Components, Inc.; Clearfield, Pa., EUA Revenimento é uma técnica de tratamento térmico usada para melhorar a resistência, ductilidade e resistência dos aços carbono temperados.

revenimento ocorre por aquecimento do aço abaixo da temperatura crítica, a fim de transformar a estrutura de martensita tetragonal metaestável de corpo centrado que é formada durante a têmpera em uma estrutura mais estável de partículas finas de carbetos. A escolha correta dos parâmetros de revenimento é de fundamental importância para alcançar o equilíbrio desejado de propriedades. É importante entender o papel que o revenimento tem nas propriedades de resistência e tenacidade, bem como as mudanças microestruturais experimentadas em uma variedade de temperaturas de revenimento. Este estudo examinou o desempenho mecânico de dois sistemas de ligas diferentes - material pré-ligado e ligado por pré-difusão - após tratamento térmico e revenimento em vários parâmetros de revenimento. Introdução A produção de componentes pela metalurgia do pó (PM – Powder Metallurgy) geralmente requer um processo secundário de tratamento térmico para atender aos requisitos de resistência e dureza de aplicações de alto desempenho. Embora existam vários processos de tratamento térmico utilizados para os componentes PM, o endurecimento superficial e total são dois métodos comuns usados em toda a indústria. Endurecimento Superficial O endurecimento superficial, também conhecido como

48 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

cementação, é um processo no qual os aços de baixo carbono são aquecidos à temperatura de austenitização, geralmente entre 850 e 950°C, em um ambiente rico em carbono. Devido à alta solubilidade do carbono na austenita, o carbono é absorvido na superfície do componente. Essa camada de alto carbono é então resfriada rapidamente para formar uma camada martensítica, geralmente em um meio de óleo agitado [1] . O objetivo deste método é desenvolver uma camada com boa dureza superficial, preservando o núcleo interno relativamente macio, mas resistente. A cementação é usada para componentes que exigem alta capacidade de desgaste da superfície, longa vida à fadiga e resistência à carga de choque. Dentre as aplicações PM comuns a esta técnica de endurecimento superficial incluem-se engrenagens e rodas dentadas. Endurecimento Total Endurecimento Total é um método de tratamento térmico normalmente reservado para componentes que serão expostos a tensões axiais e que não requerem dureza superficial particularmente alta [2]. O endurecimento é tipicamente conduzido usando um processo de têmpera em que o componente é aquecido até sua temperatura de austenitização em uma atmosfera neutra em carbono e depois rapidamente resfriado em um meio como o óleo agitado. Ao contrário do endurecimento superficial, o endurecimento total utiliza o carbono do próprio material a ser tratado, com o objetivo de formar martensita em todo o

SINTERIZAÇÃO & MANUFATURA ADITIVA

3.8

8.8

Fator de multiplicação

3.4

7.2

3.0 2.6

6.4

2.2

5.6

1.8

4.8 4.0

1.4 1.0

50µm

8.0

0.8 1.2 1.6 2.0

0.4 0.8

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 Elemento de liga, em peso %

3.6

3.2 4.0 50µm

Fig. 1. Efeito de várias adições de liga na temperabilidade [7]

componente e não apenas na superfície [naturalmente as ligas metálicas para esta finalidade são mais ricos em carbono]. O tamanho e a geometria dos componentes desempenham um papel significativo na quantidade geral de martensita desenvolvida em componentes endurecidos. A taxa de resfriamento para qualquer componente é direcionada por condução térmica. Para componentes grandes com seções transversais espessas, a superfície do componente estará sujeita a uma taxa de resfriamento diferente em comparação com o núcleo interno, onde a taxa de resfriamento é limitada [3] . Essa limitação do resfriamento no núcleo pode impedir o desenvolvimento de um componente totalmente martensítico. Em comparação, áreas finas de uma seção transversal terão um resfriamento mais consistente e rápido em toda essa seção, levando a uma transformação mais fácil em componentes totalmente martensíticos. Tratamento Térmico e Revenimento O objetivo de qualquer tipo de tratamento térmico é melhorar as propriedades mecânicas, alterando a microestrutura para martensita, o que contribui para alta resistência e alta dureza. Não há tempo suficiente para os átomos de carbono precipitarem da estrutura cristalina durante o resfriamento rápido da temperatura de austenitização. Isso faz com que a estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC - Face-Centered Cubic) da austenita se transforme em uma solução sólida supersaturada de carbono preso em uma estrutura tetragonal de corpo centrado (BCT – Bodyc Centered Tetragonal) [4]. Essa estrutura é conhecida como martensita. A rápida transformação introduz uma grande quantidade de deslocamentos dentro da estrutura do cristal, o que causa altos níveis de tensão interna. Esse estresse resulta em um

Fig. 2. Microestruturas de FLN2-4405 (a) e FD-0205 (b) na condição sinterizada

material muito duro, mas extremamente quebradiço. A fim de aliviar as tensões, o revenimento é usado como uma técnica para restaurar alguma ductilidade e resistência de volta ao material, além de diminuir a dureza. O revenimento ocorre quando um material é reaquecido a uma temperatura abaixo de seu ponto eutetóide por um período de tempo especificado, permitindo o rearranjo de átomos e a precipitação de carbono para aliviar as tensões internas e modificar a estrutura martensítica. Durante a fase de revenimento, o rearranjo dos átomos e a precipitação de carbono resultam na disposição de carbetos esféricos dispersos na ferrita. Esse arranjo é conhecido como uma estrutura de martensita revenida. O revenimento de aços PM é normalmente realizado a temperaturas entre 150 - 595°C [5]. O controle preciso do tempo e da temperatura durante a fase de revenimento é importante para alcançar o desempenho mecânico final desejado. Temperabilidade A temperabilidade de um material também desempenha um papel importante na obtenção das propriedades desejadas. A temperabilidade é definida como a capacidade de um mateIndustrial Heating

ABR A JUN 2020 49

1360

1180

1340

1160

1320 1300 1280 1260 1240 1220

FLN2-4405

1200

FD-0205

1180 1160 150

200 225 250 Temperatura de revenimento, ˚C

275

300

Fig. 3. Resistência à tração em temperaturas de revenimento incrementais Tabela 1. Composições de ferro-base ligadas (s / o) Base ferro

Astaloy® 85 Mo

0.85

0.1

0,90 – 1,30

D.AB

0.50

0.1

1.75

1.5

Tabela 2. Composições de mistura (% em peso) Mix

Base Iron

Graphite

Nickel

Lubricant

FLN2-4405

Astaloy® 85 Mo

0.6

0.45

FD-0205

D.AB

0.6

0.45

Tabela 3. Parâmetros de tratamento térmico Temperatura máxima

843°C (1550°F)

Atmosfera

Gás endotérmico

Potencial de carbono

0.6%

Tempo de austenitização

70 mins.

Meio de resfriamento

Oil

Temperatura de resfriamento

65.5°C (150°F)

Imersão

Lavagem por spray

rial atingir um certo nível de dureza em uma determinada profundidade após o tratamento térmico [6]. É uma medida de quão facilmente um material formará martensita e a profundidade em que a martensita se desenvolverá quando resfriada. Materiais de alta temperabilidade formarão martensita não apenas na superfície, mas também em todo o núcleo de um componente. A profundidade do endurecimento é um fator importante na resistência de uma peça e é amplamente influenciada pelo nível de carbono do material e pelos elementos de liga. Os elementos de liga mais comuns usados na indústria de MP são molibdênio, níquel, manganês, cromo e cobre. O efeito de vários elementos de liga e adições na temperabilidade de um material é mostrado na Fig. 1. O diagrama descreve um fator de multiplicação que descreve a profundidade do endurecimento ao adicionar uma 50 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

Resistência ao escoamento de 0,2%, Mpa

Resistência à tração final, Mpa

SINTERIZAÇÃO & MANUFATURA ADITIVA

1140 1120 1100 1080 1060 1040 1020

FLN2-4405

1000

FD-0205

980 960 150

200 225 250 Temperatura de revenimento, ˚C

275

300

Fig. 4. Resistência ao escoamento em temperaturas de revenimento incrementais

certa quantidade do elemento de liga. Como visto no diagrama, o molibdênio, o cromo e o manganês têm uma forte influência na temperabilidade dos materiais, enquanto a influência do níquel é muito menor. A escolha de um elemento de liga é direcionada pela capacidade da liga de aumentar a temperabilidade do material, a quantidade necessária e também sua capacidade de difundir consistentemente por todo o material [8]. Independentemente do tipo de tratamento térmico que um componente de PM recebe, o método de liga do material desempenha um papel significativo nas propriedades finais. Nos sistemas pré-ligados, a adição de elementos de liga durante o processo de fusão cria uma partícula ligada quimicamente homogênea. Devido à homogeneidade do teor de liga, um sistema de material pré-ligado normalmente gera uma microestrutura homogênea na fase sinterizada. Um método alternativo para introduzir elementos de liga é através de um processo de ligação por pré-difusão. Neste processo, os elementos de liga são ligados termicamente à superfície da partícula de ferro. Este método fornece o benefício de ter as adições de liga sem comprometer o núcleo de partículas de ferro macio e facilmente compressível. Como os materiais ligados por difusão não possuem uma química homogênea como um material pré-ligado, no entanto, a formação microestrutural sinterizada é heterogênea com várias fases do tipo ilha, que dependem do elemento de liga específico presente na área. Na forma tratada termicamente, os materiais pré-ligados e ligados por pré-difusão são capazes de alcançar uma microestrutura martensítica. A Fig.2 mostra as microestruturas de um ferro base pré-ligado (a) e ligado por pré-difusão (b) na condição sinterizada. Neste estudo, dois sistemas de liga com identidades

42 Dureza aparente, HRC

Energia de impacto, joules

SINTERIZAÇÃO & MANUFATURA ADITIVA

15 14 13

FLN2-4405

FD-0205

11 10

38 36

FLN2-4405

FD-0205

32 150

17 200 225 250 Temperatura de revenimento, ˚C

275

300

Fig. 5. Energia de impacto a temperaturas incrementais de revenimento 750 700 Microdureza, HV 0.1

650 600 FLN2-4405 550 500 150

FD-0205 17 200 225 250 Temperatura de revenimento, ˚C

275

300

Fig. 7. Microdureza de amostras de tração a temperaturas incrementais de revenimento

químicas semelhantes - uma pré-ligada e uma ligada por pré-difusão - foram temperados e revenidos em vários parâmetros de revenimento após a sinterização convencional. O objetivo deste estudo é investigar a resposta do método de liga e tamanho do componente às condições de tratamento térmico e revenimento e determinar como a temperatura de revenimento afeta as propriedades mecânicas. Procedimento Experimental Um ferro base pré-ligado comercialmente disponível e um ferro base pré-difundido comumente usado em aplicações de tratamento térmico foram escolhidos para este estudo. O Astaloy® 85 Mo é pré-ligado, enquanto o D.AB é um ferro básico ligado pré-difundido. As composições de liga estão listadas na Tabela 1. As misturas foram fabricadas a partir das duas ligas de acordo com as designações do material MPIF. Na mistura FLN2-4405, o níquel é misturado. Na mistura FD-0205, nenhum elemento de liga adicional foi adicionado. Ambas

150

17 200 225 250 Temperatura de revenimento, ˚C

275

300

Fig. 6. Dureza aparente a temperaturas de revenimento incrementais

as misturas contêm o mesmo tipo e quantidade de grafite e lubrificante. As composições químicas são mostradas na Tabela 2. Cada mistura foi compactada em amostras de 10 mm x 10 mm x 75 mm até uma densidade verde de 7,25 g / cm3. Eles foram sinterizados convencionalmente na Vision Quality Components em Clearfield, Pensilvânia. Todas as amostras foram tratadas termicamente na Bluewater Thermal Solutions em St. Marys, Pensilvânia. Os parâmetros de tratamento térmico são mostrados na Tabela 3. Todas as amostras sinterizadas e tratadas termicamente foram preparadas para testes mecânicos de acordo com os padrões MPIF [9]. As amostras tratadas termicamente foram então revenidas por 1 hora ao ar a várias temperaturas variando de 160 275°C. As amostras tratadas termicamente e revenidas foram avaliadas quanto à resistência final a tração, resistência ao escoamento, energia de impacto, dureza aparente, microdureza e microestrutura. Uma avaliação secundária do efeito de massa foi realizada em duas amostras de disco de tamanho diferente fabricadas a partir do material FLN2-4405. A mistura foi compactada em discos de 100 mm de diâmetro x 25 mm de altura e discos de 40 mm de diâmetro x 25 mm de altura, respectivamente. Todas as amostras de disco foram compactadas para uma densidade verde de 7,25 g / cm3. As amostras foram sinterizadas em um forno esteira de laboratório de 6 polegadas a 1120°C por 30 minutos em uma atmosfera 90/10 N2/H2. Os discos sinterizados foram então tratados termicamente na Bluewater Thermal Solutions nos mesmos parâmetros mostrados na Tabela 3. Os discos tratados termicamente foram revenidos nas mesmas temperaturas usadas para as amostras de tração e impacto. Um disco tratado termicamente sem revenido também foi Industrial Heating

ABR A JUN 2020 51

SINTERIZAÇÃO & MANUFATURA ADITIVA

900

900 40 mm discos

100 mm discos 800

700 600 500 400

Sem temperatura

1 mm

160˚C

2 mm

190˚C

3 mm

220˚C

4 mm

250˚C

5 mm

275˚C

Núcleo

Microdureza, HV 0.1

800

700 600 500 400

Sem temperatura

1 mm

Profundidade a partir da superfície

160˚C

2 mm

190˚C

220˚C

250˚C

3 mm

4 mm

5 mm

275˚C

Núcleo

Profundidade a partir da superfície

Fig. 8. Perfil de microdureza dos discos FLN2-4405 de 40 mm de diâmetro e 100 mm de diâmetro a temperaturas de revenimento incrementais

avaliado. Os discos foram avaliados quanto à dureza aparente, perfil de microdureza e microestrutura. O mapeamento de fases foi concluído na amostra de disco de 100 mm temperada a 200°C para determinar a porcentagem de martensita a distâncias incrementais da superfície da peça. Resultados A resistência à tração em cada temperatura de revenimento é mostrada na Fig. 3. O material FLN2-4405 pré-ligado resultou em resistências à tração mais altas em cada temperatura de revenimento em comparação com o material FD-0205 ligado por difusão. A resistência à tração de cada material diminui à medida que a temperatura do revenimento aumenta. Ambos os sistemas de materiais seguem uma tendência semelhante, onde é observado um declínio acentuado na resistência à tração à medida que a temperatura de revenimento atinge mais de 220°C. A resistência ao escoamento em cada temperatura de revenimento é mostrada na Fig. 4. O material FLN2-4405 pré-ligado resultou em forças de escoamento mais altas em cada temperatura de revenimento em comparação com o material FD-0205 ligado por pré-difusão. A resistência ao escoamento para ambos os materiais aumenta à medida que a temperatura do revenimento aumenta até que a temperatura atinja 250°C. Quando a temperatura excedeu 250°C, a resistência ao escoamento começou a diminuir. A energia de impacto em cada temperatura de revenimento é mostrada na Fig. 5. A energia de impacto de ambos os sistemas de materiais é semelhante dentro da faixa de revenimento de 160 - 200°C. À medida que a temperatura do revenimento aumentou acima de 200°C, a energia de impacto começou a cair significativamente a cada aumento da temperatura do revenimento. A dureza aparente é mostrada na Fig. 6. Níveis mais altos 52 ABR A JUN 2020

Industrial Heating

de dureza aparente em todas as temperaturas de revenimento foram obtidos do material FLN2-4405 pré-ligado quando comparado ao material FD-0205 ligado por difusão. A dureza aparente diminui à medida que a temperatura do revenimento aumenta para ambos os materiais. A microdureza é mostrada na Fig. 7. A microdureza entre os sistemas de materiais FLN2-4405 e FD-0205 era semelhante a cada temperatura de revenimento. Os níveis de microdureza diminuíram com o aumento da temperatura do revenimento. No estudo de efeito de massa, um perfil de microdureza na martensita foi medido nas amostras FLN2-4405. O perfil foi desenvolvido em incrementos de 1 mm no núcleo dos componentes (Fig. 8). A microdureza diminuiu a cada incremento de 1 mm abaixo da superfície. A microdureza também diminuiu à medida que a temperatura do revenimento aumentou. Os discos não temperados resultaram na maior microdureza devido às tensões desenvolvidas na matriz pelo tratamento térmico. Próxima Edição Discutiremos os resultados e concluiremos o resumo deste nosso trabalho. A revisão da tradução deste artigo foi gentilmente feita por Henrique Lopes da Hoganas.

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