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Taxas de Resfriamento Aprimoradas em Sistemas de Leito Fluidizado
Andreas Guderjahn – Schwing Technologies GmbH, Alemanha
Mei Yang, Haoxing You e Richard D. Sisson Jr. – Centro de Excelência em Tratamento Térmico, EUA
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Ralf Giebmanns – PEER Energy GmbH, Alemanha
Excelente alternativa ao banho de sal e outras tecnologias de tratamento térmico. Durante as últimas décadas, a tecnologia de leito fluidizado em termos de qualidade não perdeu a sua importância para aplicações de tratamento térmico e tornou-se mesmo indispensável em alguns nichos de aplicação devido às suas propriedades especiais.
Princípio de Funcionamento do Sistema de Tratamento Térmico de Leito Fluidizado
O princípio de funcionamento (figura 1) dos sistemas de tratamento térmico de leito fluidizado da Schwing Technologies é baseado na tecnologia patenteada de leito fluidizado Schwing, onde o óxido de alumínio de grão fino é fluidizado com ar ou gás inerte em uma câmara de processo. O leito fluidizado assim gerado conduz o calor
TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO
extremamente bem e devido à sua massa possui uma enorme capacidade calorífica. Os sistemas de tratamento térmico da Schwing Technologies são aquecidos indiretamente por meio de aquecedores elétricos ou queimadores a gás e podem ser usados em uma ampla faixa de temperatura, desde a temperatura ambiente até 1050°C, com precisão máxima. Ferramentas ou componentes de metal podem ser facilmente imersos no leito fluidizado e, no menor tempo possível, podem ser • pré-aquecidos, • recozidos, • nitretados, • nitrocarbonetados, • temperados, • revenidos ou • temperados e revenidos com a atmosfera e temperatura desejadas.
Vantagens da Tecnologia de Leito Fluidizado
Interrupções, trocas ou mudanças do processo de tratamento e da atmosfera, por exemplo, de termoquímico para inerte, são possíveis a qualquer momento e em apenas dois a três minutos. A grande precisão de temperatura dos sistemas de tratamento térmico da Schwing Technologies durante a imersão, permanência e principalmente durante o aquecimento e têmpera garante o tratamento sem empenamento dos lotes introduzidos. Além disso, a excelente uniformidade de temperatura está mantendo as tensões nas peças tratadas em um nível mínimo, o que aborda as principais desvantagens do meio de têmpera líquida e do sistema de têmpera a gás de alta pressão. O aquecimento rápido e uniforme do sistema torna o aquecimento stand-by obsoleto. As instalações operam completamente sem desperdício e, mediante solicitação, são equipadas com uma unidade de queima do tipo flare.
Como em muitas outras tecnologias, às vezes também há necessidade de otimização em áreas de aplicação especiais de tratamento térmico de leito fluidizado. Uma exigência que veio do mercado foi aumentar as taxas de resfriamento. Entre outras coisas, buscaram-se alternativas à austêmpera em banho de sal, bem como alternativas aos meios líquidos de têmpera, como óleo ou polímero para peças metálicas fabricadas avançadas. Os principais aspectos foram compatibilidade ambiental e a redução ou evitação de pós-tratamentos de limpeza.
Projeto de P&D
A otimização do efeito de resfriamento em leito fluidizado foi realizada como parte de um projeto de P&D da Schwing Technologies e PEER Energy em conjunto com o Centro de Excelencia em Tratamento Térmico (Center of Heat Treat Exellence) do Worcester Polytechnic Institute (WPI) em Worcester, MA nos EUA com foco em austêmpera. Devido à necessária comparabilidade, foram utilizados métodos e
Figura 3. Amostra típica usada para os testes de austêmpera em comparação com uma moeda de um quarto de dólar americano. Fonte: SCHWING Technologies.
amostras padronizados. Vários testes preliminares para sondagem dos gases de fluidização e meios de banho e todos os testes de tratamento térmico foram realizados no centro técnico da Schwing Technologies. Os exames metalográficos e testes de materiais foram realizados pelo WPI. Este artigo concentra-se essencialmente na terceira série de testes da Schwing Technologies para AISI 5160, onde a meta de otimização foi alcançada.
Em primeiro lugar, o status atual do efeito de resfriamento dos sistemas comuns de banho fluidizado teve que ser determinado em comparação com outras tecnologias e meios. Parâmetros padrão para o equipamento, gases usuais de fluidização (ar e nitrogênio) e um óxido de alumínio comum para aplicações de tratamento térmico foram escolhidos como ponto de partida.
A austêmpera é um processo de tratamento térmico baseado na transformação isotérmica da austenita em bainita, que se forma na faixa de temperatura entre a perlita e a martensita. Para formar a bainita, a taxa de resfriamento precisa ser rápida o suficiente para evitar a formação de perlita em temperaturas mais altas, como mostra a Figura 2.
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Figura 5. Varredura da linha de microdureza Vickers das amostras do 3º ensaio de austêmpera em leito fluidizado com meio de banho G4Q. Fonte: SCHWING Technologies.
Em seguida, foram realizados dois ensaios de austêmpera em AISI 5160 utilizando leito fluidizado com diferentes gases de fluidização e meios de banho. O primeiro ensaio foi realizado com Al2O3 e o 2º com o chamado B4Q como meio de banho. Ambos os ensaios não produziram a bainita completa devido às baixas taxas de resfriamento. Com um novo meio de banho, chamado G4Q, e um gás de fluidização especial, as taxas de resfriamento foram significativamente melhores do que as taxas de resfriamento com Al2O3 e gases padrão, especialmente na faixa de temperatura entre 500°C e 800°C, que pode ser vista na figura 2 Assim, decidimos realizar o terceiro ensaio de austêmpera utilizando o novo meio de banho de leito fluidizado G4Q.
As amostras foram austenitizadas em um forno de leito fluidizado a 850°C por 30 minutos, depois austemperadas em outro forno de leito fluidizado a 315°C por 1, 2, 5, 30 e 90 minutos, respectivamente, retirados do forno e resfriado ao ar até a temperatura ambiente. Essas amostras, preparadas pela WPI, são discos com 1,125'' de diâmetro e 0,5'' de espessura, como mostrado na Figura 3. As amostras austemperadas foram enviadas de volta à WPI para caracterização, incluindo medição de dureza Rockwell, varredura de linha de microdureza Vickers, análise de XRD (X-Ray Diffraction - Difração de Raios X), óptica, e análise microestrutural SEM (Scanning Electron Microscopy em inglês e MEV Microscopia Eletrônica de Varredura em português).
A Figura 4 mostra a dureza Rockwell das amostras austemperadas do 3º ensaio em leito fluidizado, que são comparadas com a dureza Rockwell das amostras austemperadas em banho de sal à mesma temperatura. Pode-se observar que os dados de dureza estão muito próximos entre as amostras de 30 minutos e 90 minutos de tempo de austêmpera. A dureza das amostras austemperadas do 1º e 2º ensaios de austêmpera em leito fluidizado também são mostradas nesta figura. Pode-se observar que a dureza das amostras com tempo de austêmpera de 90 minutos de ambos os 1º e 2º ensaios de austêmpera fluidizada são menores do que a dureza da amostra do 3º ensaio com o mesmo tempo de austêmpera.
As amostras foram cortadas, montadas e polidas para as medidas de microdureza Vickers por um Wilson VH3300 (0,5kgf). A varredura da linha de microdureza Vickers foi realizada na seção transversal dessas amostras da superfície ao núcleo. Os resultados são mostrados na figura 5 com microdureza média calculada e desvio padrão. Pode-se observar que a microdureza é uniforme em cada amostra. A microdureza Vickers diminui com o aumento do tempo de austêmpera, o que está de acordo com os resultados da medição de dureza Rockwell.
As amostras foram cortadas, montadas, polidas e atacadas por Nital 4% para a análise da microestrutura na seção transversal da amostra por microscopia óptica e eletrônica de varredura (MEV). As micrografias ópticas e MEV são mostradas na Figura 6 com as ópticas no lado esquerdo e as MEV no lado direito. Pode-se observar que a porcentagem de bainita aumenta com o aumento do tempo de austêmpera. A microestrutura da amostra
(a)
(b)
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(d)
(e)
Figura 6. Micrografias óticas e MEV de (a) 1 min (b) 2 min (c) 5 min (d) 30 min (e) 90 min de amostras austemperadas do 3º ensaio de leito fluidizado em seção transversal (micrografia ótica está à esquerda a micrografia MEV à direita). Fonte: SCHWING Technologies.
com 30 minutos de tempo de austêmpera (6 (d)) é semelhante à microestrutura da amostra com 90 minutos de austêmpera (Figura 6 (e)), que mostra a formação completa da bainita.
A análise de XRD também foi realizada nessas amostras como polidas austemperadas e os padrões de XRD são mostrados na figura 7. Tanto bcc (α) quanto fcc ( ) são identificados para as amostras austemperadas com 1, 2 e 5 minutos de tempo de austêmpera, enquanto apenas bcc (α) foi identificado para a amostra com 30 e 90 minutos de tempo de austêmpera. O fcc é austenita retida, o bcc é ferrita bainítica mais martensita nessas amostras. Portanto, a análise de XRD mostra que a bainita completa se forma nas amostras com 30 e 90 minutos de tempo de austêmpera, o que está de acordo com a medição de dureza e análise de microestrutura.
As micrografias MEV das amostras com 90 minutos de tempo de austêmpera do 2º e 3º ensaio de austêmpera em leito fluidizado são comparadas na Figura 8. Com grande aumento, a perlita pode ser vista na amostra da 2ª tentativa (Figura 8 (a)) enquanto a bainita completa se forma na amostra da 3ª tentativa (Figura 8 (b)).
Conclusão
Os testes mostraram que com parâmetros otimizados em um sistema de leito fluidizado, que são principalmente um gás especial e o novo meio de banho G4Q, quase as mesmas taxas de
Figura 7. Padrões de XRD para amostras austemperadas de 1 min (vermelho), 2 min (azul), 5 min (verde), 30 min (roxo) e 90 min (marrom) do 3º ensaio de leito fluidizado com G4Q. Fonte: SCHWING Technologies.
Figura 8. Micrografias MEV das amostras de (a) 2º (b) 3º ensaio de austêmpera de leito fluidizado com 90 minutos de tempo de austêmpera. Fonte: SCHWING Technologies.
resfriamento podem ser alcançadas em um banho de sal. O efeito de resfriamento necessário para 100% de austêmpera do AISI 5160 foi plenamente alcançado. Isso pode ser comprovado por investigações metalográficas e testes mecânicos de materiais.
Os sistemas de leito fluidizado da Schwing Technologies agora oferecem uma excelente alternativa ao banho de sal para esta aplicação. Para muitas outras aplicações convencionais, bem como para processos inovadores, como a fabricação aditiva de peças
metálicas, esses sistemas de leito fluidizado oferecem uma alternativa muito boa ou mesmo a melhor solução adequada para resfriamento e têmpera. Ele vem com todas as vantagens do banho de sal, mas sem seus impactos ambientais negativos. Ao mesmo tempo, pode vencer qualquer processo de têmpera a gás de alta pressão em relação à uniformidade de temperatura durante o processo de têmpera real. Como resultado, as peças tratadas podem se transformar uniformemente e, assim, manter as tensões no mínimo.
Sobre a Schwing Technologies A Schwing Technologies atua há mais de 50 anos e é líder mundial em tecnologia de sistemas de alta temperatura para limpeza térmica, acabamento termoquímico e tratamento térmico de peças e ferramentas metálicas. A empresa gerenciada pelos proprietários projeta, fabrica e opera sistemas em sua sede em Neukirchen-Vluyn, na região do Baixo Reno, na Alemanha. Construída com base nas conquistas da engenharia alemã, a empresa de médio porte é uma das especialistas mais conhecidas do mundo na remoção de plásticos. Entre os cerca de 3.000 clientes internacionais da Schwing estão empresas das indústrias de plásticos e fibras, bem como dos setores químico e automotivo. Para cada necessidade de limpeza, a empresa com seus cerca de 100 funcionários oferece a melhor tecnologia e solução de limpeza econômica, ecológica e qualitativamente. A Schwing também é um parceiro de serviço confiável para limpeza por contrato, processando mais de 250.000 ferramentas e peças a cada ano de acordo com os mais altos padrões ambientais e qualitativos. Fundada em 1969, a empresa comemorou seu 50º aniversário em 2019 e inaugurou naquele ano a Schwing Technologies North America Inc., uma nova empresa de vendas nos EUA.
Para obter mais informações: Entre em contato com Andreas Guderjahn, Schwing Technologies GmbH, Oderstraße 7, 47506, Neukirchen-Vluyn, Alemanha; tel: +49 2845 930 178; web: a.guderjahn@schwing-tech.com.
Mei Yang, Haoxing You e Richard D. Sisson Jr., Centro de Excelência em Tratamento Térmico, Instituto Politécnico de Worcester, 100, Institute Rd, Worcester, MA 01609, EUA.
Ralf Giebmanns, PEER Energy GmbH, Siemensstraße 18, 47608 Geldern, Alemanha.
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