Revista Industrial Heating Out-Dez/ 2020

BRASIL

Abr a Jun 2019 The International Journal Of Thermal Processing

Out a Dez 2020

Aplicação de Perfil Ótico Através do Processo

ÍNDICE

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26 Elevados Padrões de TT em Dispositivos Médicos 30 Desafios Resolvidos com Modelamento Computacional Prático – Parte I 38 Influência da Ferrita Delta em Parafusos Tratados 43 Comparando o Isolamento de Manta de Grafite de Forno a Vácuo 47 A Chave para Estender a Vida Útil de um Revestimento Refratário

A maior e mais conceituada revista da indústria térmica • www.sfeditora.com.br

Na Capa:

Sistema de perfilamento de temperatura Confira na página 34.

43 26

CONTEÚDO

47 OUT A DEZ 2020 - NÚMERO 49

ARTIGOS 26

Caracterização & Testes de Materiais

Mantendo Elevados Padrões de Tratamento Térmico: Aprendendo com a Indústria de Dispositivos Médicos Performance Review Institute (PRI) – Warrendale, Pa., EUA

A pandemia COVID-19 ainda está em andamento no momento em que este artigo foi escrito. A terminologia com a qual não estávamos familiarizados entrou em nosso vocabulário.

30

Tratamento Térmico

Desafios Críticos de Tratamento Térmico Resolvidos com Modelamento Computacional Prático – Parte I J. Sims, T. YU, Z. Charlie Li e B. L. Ferguson - DANTE Solutions Inc., EUA

O objetivo de qualquer processo de tratamento térmico de aço é controlar a microestrutura resultante e melhorar o desempenho da peça durante a aplicação. Historicamente, tratamentos térmicos são baseados somente na experiência.

34

Controle de Processo & Instrumentação

Aplicação de Perfil Ótico Através do Processo Dr. Steve Offley - PhoenixTM Ltd; Reino Unido, Inglaterra

Você sabe o que realmente acontece em seu forno? A aplicação de perfis ópticos em todo o processo o ajudará a entender completamente o que está acontecendo dentro do seu processo de tratamento térmico.

38

Refratários

Estudo da Influência da Ferrita Delta em Parafusos Tratados Termicamente na Resistência ao Torque Leandro José de Almeida , Fernando Suzumura Kawata, Rafael Neves de Almeida, Lucelio Siqueira – Meritor do Brasil Sistemas Automotivos O processo de Fabricação do parafuso tem como fluxo após vergalhão trefilado na usina, a conformação mecânica em dois estágios, sendo cabeça e corpo, assim como a região da rosca sendo conformada por usinagem.

43

Vácuo & Tratamento de Superfície

Comparando o Isolamento de Manta de Grafite de Forno a Vácuo - PAN vs. Rayon Reàl J. Fradette and William R. Jones – Solar Manufacturing, Inc.; Souderton, Pensilvânia, EUA

A maioria dos fornos a vácuo atualmente ativos no mundo do tratamento térmico incorporam alguma forma de, ou combinação de, isolamento de manta de grafite.

47

Fusão

A Chave para Estender a Vida Útil de um Revestimento Refratário Roger M. Smith – Plibrico Company, LLC; Northbrook, Ill., EUA

O equilíbrio das propriedades refratárias em fornos de alumínio pode maximizar a vida útil. Uma preocupação significativa ao fabricar alumínio metálico é a vida útil prática do forno.

4 OUT A DEZ 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

24 DEPARTAMENTOS 06 Índice de Anunciantes 14 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

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As opiniões expressadas em artigos, colunas ou pelos entrevistados são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente a opinião dos editores.

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CONTEÚDO

OUT A DEZ 2020 - NÚMERO 49

COLUNAS 08 Editorial EUA

Prêmios e Vantagens de Afiliarse a Uma Associação Com nossa cobertura editorial

diversificada, há várias associações em nosso setor (Nota do Editor: nos EUA). Pessoalmente, pertenço à APMI (American Powder Metallurgy Institute), à MPIF (Metal Powder Industries Federation) para metais em pó e fabricação de aditivos, bem como à AIST (Association for Iron & Steel Technology). Isso além do IHEA (Industrial Heating Equipment Association).

20

Editorial Brasil História Sem Fim

É final de Dezembro deste 2020 e lá fora, para variar, chove. Como em todos estes últimos dias. O rádio toca baixinho Neverending Story. E me dá o tema deste editorial. História sem fim. Que começou no início de 2020, quando pela primeira vez ouvi falar do Corona vírus. Mas fato é que a grande esperança era, e ainda é, a bendita vacina. Apregoada como o final da história.

12 Doutor em Tratamento Térmico

Descarbonetação Há um grupo de perguntas recorrentes

feitas ao Doutor, todas centradas em: “Quanta oxidação de superfície é permitida em uma peça de aço?” O mais recente foi um pedido inocente de “um gráfico (ou artigo) de `descarbonetação`, que mostra o efeito no aço, se normalizado, em um ambiente sem gás inerte.” O cumprimento desta solicitação fornece algumas informações valiosas para o tratador térmico. Vamos aprender mais. Embora a pergunta pareça direta, há uma série de questões importantes que surgem a partir dela, e alguma interpretação é necessária para entender completamente o que está sendo perguntado.

16 Combustão

Classificações de Queimadores

A partir deste artigo serão apresentados os principais tipos de queimadores, conforme solicitado por muitos leitores. Este primeiro artigo desta nova série apresenta as principais modalidades de classificação. Queimadores são equipamentos destinados à geração de calor a partir da queima de combustíveis, forma de energia chamada “química”.

18 Siderurgia

Elementos Residuais nos Aços: Os Malvados Favoritos A adoção de processos siderúrgicos

que suprimam ou, ao menos, minimizem as emissões de dióxido de carbono, o vilão-mor do efeito estufa, está na ordem do dia. Uma proposta para se atender a esse objetivo seria renunciar à produção de metal novo e passar a reciclar o aço já existente no planeta usando fornos elétricos a arco.

20 Simulação Computacional

Óleo de Têmpera: Qual Utilizar? Distorções, microestrutura final, tensões residuais, dureza. Afinal, qual óleo é o ideal? O óleo que estou usando atualmente é o melhor? Será que existe algum outro óleo que possa me fornecer um resultado ainda melhor?

22 Pesquisa e Desenvolvimento

A Ordem é

Focar no Produto e Postergar P&D Caros leitores, gostaria de encerrar este ano de 2020 com uma coluna que resume a situação do setor automotivo no campo de pesquisas e desenvolvimentos, na ótica de quem esteve boa parte do ano

.

envolvido com este tema e também nas prioridades Industrial Heating

OUT A DEZ 2020 7

EDITORIAL EUA

Prêmios e Vantagens de Afiliar-se a Uma Associação

C

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

om nossa cobertura editorial diversificada, há várias associações em nosso setor (Nota do Editor: nos EUA). Pessoalmente, pertenço à APMI (American Powder Metallurgy Institute), à MPIF (Metal Powder Industries Federation) para metais em pó e fabricação de aditivos, bem como à AIST (Association for Iron & Steel Technology). Isso além do IHEA (Industrial Heating Equipment Association) e do MTI (Metal Treating Institute), é claro.

O MPIF anunciou recentemente os vencedores do concurso 2020 Powder Metalurgy Design Excellence Awards. Os prêmios cobrem três setores - automotivo, bens de consumo e tecnologias especiais mas cada segmento também contém várias descrições de categorias. Vamos dar uma

Roda dentada VVT com estator integrado 8 OUT A DEZ 2020

Industrial Heating

olhada nos vencedores do grande prêmio apenas nas categorias automotivas.

Automotivo inclui motor e transmissão, e estes podem ser divididos no tipo de processo (por exemplo, PM – metalurgia do pó convencional e MIM, Mertal Injection Moulding), dependendo do que é submetido para consideração. Este ano, o vencedor do grande prêmio automotivo na categoria de motores para PM convencional foi concedido à Porite Taiwan Co. Ltd. e seu cliente Schaeff ler Technologies AG & Co. KG por uma roda dentada VVT usada em um E-VVT de nova geração projeto que integra uma roda dentada com o estator.

Na categoria Transmissão para PM Convencional, o grande prêmio foi concedido à PMG Indiana Corporation por um conjunto de estator de embreagem unidirecional com conversor de torque usado em uma transmissão de 8 velocidades feita para a FCA US LLC. Na posição travada, esta peça é submetida a um torque de 350 Nm. Nesta categoria para MIM, PhillipsMedisize venceu por um braço atuador fornecido à Means Industries e usado em um conjunto de transmissão de 9 marchas para a General Motors e Ford Motor Company.

Eu sei que alguns de vocês são membros de nossas principais associações da indústria - Metal Treating Institute (MTI) e Industrial Heating Equipment Association (IHEA). Com uma versão virtual do evento Furnaces North America (FNA) chegando, parece uma boa oportunidade para considerar as vantagens de associar-se.

Metal Treating Institute (MTI) A FNA 2020 se tornou virtual, o que

EDITORIAL EUA apresenta algumas novas oportunidades para empresas que desejam que seus funcionários participem de tudo o que a FNA tem a oferecer. Confira o site (www. furnacesnorthamerica.com) para ver como uma FNA virtual oferece oportunidades para que sua equipe participe desse evento educacional. Ainda não é tarde para se registrar!

As primeiras raízes da MTI remontam a mais de 100 anos até 1913, mas o nome passou a ser MTI em 1933.

Do site, “A associação (em quatro categorias) se expandiu mundialmente e inclui tratadores térmicos comerciais, fabricantes com operações internas de tratamento térmico e fornecedores que fornecem produtos e serviços para a indústria. A MTI atua ativamente na defesa do governo e nos padrões técnicos, conduz conferências de redes educacionais nacionais e regionais e produz a feira de negócios Furnaces North America a cada dois anos.”

A MTI tem várias oportunidades de treinamento ao longo do ano, incluindo o popular YES Management Training. Os programas de certificação são oferecidos em: Operador de forno qualificado, Especialista técnico em tratamento térmico, Especialista em tratamento térmico e Especialista em gerenciamento de tratamento térmico.

A MTI também participa com Aquecimento Industrial no prêmio de Tratador Térmico Comercial do Ano, que é apresentado na reunião de outono.

Industrial Heating Equipment Association (IHEA) O site da IHEA se descreve como a "associação comercial líder da indústria que representa designers e fabricantes de equipamentos de aquecimento industrial e suprimentos e serviços relacionados. A IHEA se concentra em impulsionar o sucesso de seus membros, fornecendo a base de conhecimento e voz autorizada para processamento de calor industrial.”

Não tenho certeza de como o COVID afetará as coisas no futuro, mas a IHEA normalmente tem uma reunião de outono para comitês (seis no total), além de sua reunião anual na primavera. Se você acha que a associação à IHEA é certa para você, verifique www.IHEA.org para as cinco opções de associação diferentes e entre em contato com eles para ver como você pode se envolver.

Boa leitura!

Industrial Heating OUT A DEZ 2020 9

EDITORIAL BRASIL

História Sem Fim

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

10 OUT A DEZ 2020

final de Dezembro deste 2020 e lá fora, para variar, chove. Como em todos estes últimos dias. O rádio toca baixinho Neverending Story. E me dá o tema deste editorial. História sem fim. Que começou no início de 2020, quando pela primeira vez ouvi falar do Corona vírus. Mas fato é que a grande esperança era, e ainda é, a bendita vacina. Apregoada como o final da história. Mas a verdade está um pouco longe disso. Sem querer entrar no mérito da politização deste assunto, a discussão agora é sobre quando a tal da vacina vai finalmente ser aplicada em nosso braço. Tenho mais de 60 anos, sou do grupo de risco que tem o privilégio de ser um dos primeiros a ser vacinados.

Mas não é esse o ponto. Outra vez, sem querer entrar no mérito se vacina a, b ou c, a verdade é que não há previsão quando nosso mundo voltará a ser “normal” outra vez.

Por nosso mundo, no nosso caso, entenda-se além da publicação de revistas a realização de eventos técnicos. Duas atividades que se complementam e que foram duramente afetadas pela impossibilidade de realizarmos nossos seminários técnicos de maneira presencial. Apesar de termos mudado para o formato online, clientes patrocinadores nos colocam isso (o contato presencial com seus clientes) como condição sine qua nom para investirem em nós. Quando poderemos finalmente permitir que clientes, fornecedores, acadêmicos e alunos possam interagir sem limitações em um evento? Quando essa história finalmente vai chegar a seu final?

Nessa edição além das já tradicionais colaborações técnicas de nossos colunistas apresentamos também 6 artigos: Desafios Críticos de Tratamento Térmico Resolvidos com Modelamento Computacional Prático – Parte I, de J. Sims, T. YU, Z. Charlie Li e B. L. Ferguson (DANTE Solutions Inc., EUA) e tradução de O. C. Haase (SIXPRO Virtual&Practical Process, Brasil).

Esta é a primeira de quatro partes de um artigo,

Industrial Heating

examinando a modelagem de tratamentos térmicos.

Mantendo Elevados Padrões de Tratamento Térmico: Aprendendo com a Indústria de Dispositivos Médicos, de Connie Conboy, diretora, Programa MedAccred, Instituto de Avaliação de Desempenho (PRI - Performance Review Institute). O artigo apresenta o programa MedAccred (nos EUA), administrado pela indústria e orientado por consenso para garantir a qualidade crítica do processo de fabricação em toda a cadeia de suprimentos de dispositivos médicos nesta época de COVID, incluindo aí tratamentos térmicos. A Chave para Estender a Vida Útil de um Revestimento Refratário, de Roger M. Smith, da Plibrico Company.

Aplicação de Perfil Ótico Através do Processo, de Dr. Steve Offley, gerente de marketing de produto, Phoenix Temperature Measurements.

Tradução gentilmente revisada por Eng. Ivan Siqueira, PhoenixTM Brasil Ltda. Neste artigo o autor apresenta a aplicação de perfis óticos em todo o processo de tratamento térmico dentro de um forno. Comparando o Isolamento de Manta de Grafite de Forno a Vácuo - PAN vs. Rayon, de Reàl J. Fradette e William R. Jones – Solar Manufacturing, Inc. Neste trabalho os autores avaliam a eficiência térmica relativa de dois materiais de manta de grafite o PAN e o Rayon, em fornos a vácuo em laboratório.

Estudo da Influência da Ferrita Delta em Parafusos Tratados Termicamente, na Resistência ao Torque, de Leandro José de Almeida – Engenheiro Metalúrgico, Fernando Suzumura Kawata – Supervisor Qualidade, Rafael Neves de Almeida – Tecnólogo em Metalurgia e Lucelio Siqueira – Engenheiro Químico da Meritor do Brasil Sistemas Automotivos. Neste artigo os autores fazem uma correlação da formação da ferrita delta a partir do fosfato residual do processo de trefila.

Boa leitura!

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Industrial Heating

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DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO

Descarbonetação

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

á um grupo de perguntas recorrentes feitas ao Doutor, todas centradas em: “Quanta oxidação de superfície é permitida em uma peça de aço?”

O mais recente foi um pedido inocente de “um gráfico (ou artigo) de `descarbonetação`, que mostra o efeito no aço, se normalizado, em um ambiente sem gás inerte.” O cumprimento desta solicitação fornece algumas informações valiosas para o tratador térmico. Vamos aprender mais.

Embora a pergunta pareça direta, há uma série de questões importantes que surgem a partir dela, e alguma interpretação é necessária para entender completamente o que está sendo perguntado. Por exemplo, que tipo de aço está envolvido, de que forma está sendo adquirido e qual é a sequência de fabricação usada para criar as peças do componente? Do ponto de vista metalúrgico, estamos falando de descarbonetação total ou parcial? Como será medido e qual é o uso final da aplicação do produto para que uma avaliação possa ser feita do impacto da descarbonetação no design?

A descarbonetação varia com o grau do material, temperabilidade, atmosfera do forno,

Fig. 1. Microestrutura de aço descarbonetado (ferrita livre é branca) 12 OUT A DEZ 2020

Industrial Heating

potencial de carbono e o tipo de processo de tratamento térmico sendo realizado (por exemplo, temperatura, tempo). As peças descarbonetadas apresentam menor dureza (superficial), menor resistência ao desgaste e menor vida útil à fadiga, o que afeta sua vida útil. Um exemplo é um fabricante automotivo cujas colunas de direção estavam afrouxando na linha de montagem devido à presença de uma camada de descarbonetação parcial de 0,025 a 0,075 mm no anel de retenção do eixo.

Se alguém se referir simplesmente ao AMS 2759/1 ou /2, [2,3] quatro tipos de partes são definidos que, por sua vez, ditam a classe de atmosfera permitida ou proibida ao aquecer partes acima de 677˚C. O tipo de superfície inicial (por exemplo, acabado a quente, trefilado a frio) e a quantidade de metal a ser removido por usinagem parcial ou acabada, seja maior ou menor que 0,51 mm (0,020 polegada), são os critérios importantes.

Essas especificações vão além, discutindo a contaminação da superfície e fornecendo limites para itens como descarbonetação parcial, ≤ 0,13 mm (0,005 pol.) E ataque intergranular, ≤ 0,018 mm (0,0007 pol.), bem como definindo o método de medição e critérios de rejeição.

Ouvir o que fazer é uma coisa, mas entender por que isso deve ser feito é outra, que era a verdadeira questão que estava sendo feita aqui.

Um Pouco de Teoria [4,5] A descarbonetação total (também conhecida como descarbonetação do tipo 1) é a profundidade na qual a microestrutura da superfície é ferrita livre; ou seja, a profundidade até a qual houve 100% de perda de carbono (Fig. 1). A descarbonetação parcial (também conhecida como descarbonetação do tipo 2 ou tipo 3) é aquela profundidade da

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO Tabela 1. Resultados de descarbonetação selecionados para 300M, ao ar [7] Teste Número de amostra

Temperatura de austenitização, a ºC

Profundidade da ferrita, μm (visual)

Profundidade da carepa, b μm

Dureza superficial, HV0,5

Dureza subsuperficial, HV0,5

Profundidade total de descarbonetação, μm

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46.3

114

327

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500

2

900

136.1

85

345

675

825

3

1000

208.8

112

367

710

995

Notas: a. O tempo de encharque em temperatura foi de duas horas. b. A carepa se refere à camada de óxido de ferro presente na superfície do aço.

Profundidade descarbonetada, mm

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0

5

10

15

20

25

30

35

Volume % H2 em N2 Fig. 2. Descarbonetação da superfície em função do conteúdo de hidrogênio da atmosfera [6]

superfície onde alguma perda (maior ou menor que 50%, respectivamente) de carbono ocorreu, mas não há profundidade mensurável de descarbonetação completa.

Descobriu-se que a perda de carbono da superfície próxima ocorre acima de 700˚C, quando a atmosfera da fornalha contém dióxido de carbono, vapor de água, oxigênio e hidrogênio (Fig. 2).

O carbono presente no aço irá interagir com a atmosfera do forno

Industrial Heating

OUT A DEZ 2020 13

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO evitados com qualquer atmosfera. A realização de testes usando um forno executando o (s) ciclo (s) de processo, no entanto, é sempre altamente recomendável para determinar os níveis reais de descarbonetação.

800 700 Dureza, HV 0,5

600 500 400 300 200

Referências

100 0

[1] Herring, Daniel H., Atmosphere Heat 0

200

400

600

800 1,000 1,200 1,400 Distância da superfície, μm

1,600

1,800

2,000

Treatment, Volume II, BNP Media, 2015 [2] AMS 2759/1, “Heat Treatment of Carbon

Fig. 3. Perfil de dureza representativo para 300M amostra 2, no ar [7]

and Low-Alloy Steel Parts Minimum

e sairá da superfície em fase gasosa nas condições adequadas. Isso resulta em uma mudança na concentração causando a migração de carbono do interior para a superfície, que continua até que um equilíbrio seja restabelecido, criando assim uma profundidade máxima de descarbonetação. Dependendo se o aço está entre as temperaturas crítica inferior (Ac1) e crítica superior (Ac3) ou acima da crítica superior, as taxas de difusão de carbono variam.

Temperatura e composição são os principais fatores envolvidos e sua influência varia dependendo do processo (por exemplo, recozimento, normalização) sendo realizado.

Tensile Strength Below 220 ksi (1517

Um Pouco Mais Fundo [7] Como afirmado, a descarbonetação começa a ocorrer conforme a taxa de carbono na superfície diminui devido à sua reação com o oxigênio, pois essa reação excede a taxa de crescimento da formação de incrustações (óxido de ferro). A escala contribui para a profundidade de descarbonetação (por exemplo, Equação 1 sendo típica).

A descarbonetação não depende apenas da presença de oxigênio, mas também da interação com outros gases oxidantes na atmosfera, principalmente o vapor d’água e o 14 OUT A DEZ 2020

Industrial Heating

dióxido de carbono. Em um ensaio controlado, [7] as amostras foram descarbonetadas e os resultados medidos para atmosferas com baixo nível de oxigênio e ar (Tabela 1). A perda de dureza foi cuidadosamente documentada (Fig. 3). Esses testes encontraram a profundidade máxima de descarbonetação em cerca de 0,51 mm (0,020 pol.), O que se correlaciona bem com as informações da AMS. FeO + CFe → Fe + CO(g)

[1]

Resumo A escolha da atmosfera correta do forno, temperatura e, em menor grau, o tempo em temperatura são variáveis importantes para compensar o efeito da descarbonetação.

Como se viu neste caso específico, a questão envolvia a necessidade de nitrogênio como uma atmosfera de cobertura durante a normalização a 955˚C ou se o processo poderia ser feito em um forno câmara a gás com o material protegido pelos produtos da combustão. Uma vez que a remoção mínima de material foi de 1 mm (0,039 polegada) e os tempos de imersão foram de quatro horas ou menos, os efeitos deletérios da descarbonetação poderiam ser

MPa),” SAE International, (Rev. E), 2009 [3] AMS 2759/2, “Heat Treatment of Carbon and Low-Alloy Steel Parts Minimum Tensile Strength 220 ksi (1517 MPa) and Higher,” SAE International, (Rev. F), 2015 [4] VanderVoort, George F., “Understanding and Measuring Decarburization,” Advanced Materials & Processes, February 2015 [5] SGS MSi (www.msitesting.com) [6] “Furnace Atmospheres No. 8: Sintering of Steels,” Special Edition Booklet, Linde 2011 [7] Mayott, Steven W., “Analysis of the Effects of Reduced Oxygen Atmospheres on the Decarburization Depths of 300M Alloy Steel,” Thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, 2010

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO

2022 o lh u J e d 8 a 5

2022 Industrial Heating

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COMBUSTÃO

Classificações de Queimadores

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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.

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partir deste artigo serão apresentados os principais tipos de queimadores, conforme solicitado por muitos leitores. Este primeiro artigo desta nova série apresenta as principais modalidades de classificação.

Queimadores são equipamentos destinados à geração de calor a partir da queima de combustíveis, forma de energia chamada “química”. Isso porque os combustíveis, compostos principalmente por átomos de carbono e hidrogênio, sofrem uma reação de oxidação com oxigênio (combustão) resultando em dióxido de carbono e vapor d’água superaquecido, além de outras reações secundárias. A liberação de calor pela combustão é a diferença entre a energia interna contida nos reagentes e nos produtos da combustão, também conhecida como variação da entalpia.

A primeira classificação refere-se ao combustível. Existem queimadores que somente podem usar um determinado combustível, como por exemplo, gás natural (GN) ou óleo combustível, os quais constituem a grande maioria destes equipamentos. Excepcionalmente encontram-se queimadores que operam com combustíveis sólidos pulverizados ou ainda em mistura com óleos combustíveis. E existem também, em menor número, queimadores que admitem dois ou mais combustíveis. Os mais conhecidos são os queimadores chamados duais, que admitem o uso de dois combustíveis, os quais evidentemente são bem mais caros devido à sua complexidade. Exemplos são os queimadores GN-GLP e os queimadores gásóleo.

A segunda classificação diz respeito ao comburente (oxigênio). Ele pode ser fornecido a partir do ar ambiente por conter 20,9% de oxigênio (base volumétrica), insuflado em baixas pressões por ventiladores ou em médias

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pressões por ar comprimido. Esses queimadores projetados para a queima com ar podem ainda suportar algum grau de enriquecimento com oxigênio, geralmente elevando o teor para 25% de oxigênio ou pouco mais. Outro tipo de queimador é aquele projetado para operar com oxigênio puro ou elevados teores, acima de 90%, geralmente aplicados a processos térmicos de alta temperatura (acima de 800°C). Existem ainda queimadores especiais, projetados para operar desde ar ambiente até oxigênio puro, denominados “oxy-air burners”, o que permite tirar o melhor proveito em todas as etapas dos processos térmicos. Por exemplo, usar a oxi-combustão na etapa da fusão de um metal, onde a demanda térmica é intensa possibilitando aumento de produtividade, e a queima com ar ambiente na etapa de refino e espera quando tal demanda é baixa.

A classificação seguinte refere-se à mistura do combustível com o comburente, exigindo a subdivisão em combustíveis gasosos e em combustíveis líquidos.

Os queimadores a gases combustíveis podem ser do tipo pré-mistura, onde o gás e o comburente já saem misturados no bocal dos queimadores, ou mistura na face quando a mistura ocorre a partir do bocal.

Os queimadores de mistura na face tornam impossível o retrocesso de chama para o interior dos queimadores, mas torna-se difícil minimizar o excesso de ar de combustão. E existem ainda os queimadores de combustão estagiada, onde diferentes fluxos de comburente possibilitam alimentar a chama ao longo de seu comprimento, sendo um dos artifícios para reduzir as emissões de NOx. Já os queimadores de combustíveis líquidos necessitam de dispositivos que venham atomizar o combustível de forma a possibilitar sua gaseificação e craqueamento no trajeto da chama, proporcionando a necessária intimidade

COMBUSTÃO com o comburente para a reação de combustão. Os principais princípios aplicados para atomização são: súbita descompressão por jato de alta pressão, atomização centrífuga (copo rotativo), atomização por fluido auxiliar (ar ou vapor) e emulsão ar-óleo. O objetivo para uma boa atomização é gerar 10 milhões de gotículas para cada centímetro cúbico de combustível, associando uma intensa turbulência com o comburente.

Outra classificação refere-se à disposição dos conjuntos de partes (ou blocos) do queimador: • Queimadores tipo monobloco, onde todos os principais componentes como ventilador, cabeçote de queima e sistemas de controle mecânico e eletroeletrônico estão agrupados em único bloco. Esses queimadores são geralmente aplicados em processos de baixa e média temperatura, de modo que o calor liberado pela chama e pela câmara de combustão não venha a danificar ou reduzir a vida útil de seus componentes.

• Queimadores tipo duobloco, no qual o ventilador e os sistemas de controle eletroeletrônico estão afastados do cabeçote de queima, o que permite sua instalação em processos de alta temperatura, inclusive possibilitando a utilização do ar de combustão preaquecido.

• Queimadores tipo duto, onde o cabeçote de queima está instalado no interior de um duto com a finalidade de gerar gases quentes. A alimentação do ar de combustão pode ser feita pelo próprio ar que circula no duto, quando as condições possibilitem comburente suficiente, ou por alimentação independente com ventilador externo.

Tais condições do ar se referem à velocidade e ao teor de oxigênio.

Esses queimadores são geralmente modulados, permitindo diversas configurações geométricas na seção do duto. O sistema de controle de potência e demais componentes ficam instalados fora do duto.

• Queimadores infravermelhos são do tipo pré-mistura gás-ar apresentando uma chama com formato de superfície, geralmente plana ou cilíndrica, que aquece uma malha metálica ou cerâmica tornando-se radiante/convectiva. É muito aplicada quando necessário o aquecimento de superfícies por radiação.

E, finalmente, a classificação dos queimadores pelos seus estágios operacionais, podendo ser: • Queimadores de estágio único, onde opera com potência fixa, do tipo “on-off” ou liga-desliga, geralmente unidades de baixa potência raramente superando 600 kW. • Queimadores de duplo estágio, operando em chama alta ou chama baixa, considerados como potências nominais da ordem de 800 a 2.000 kW. A seleção das potências ideais seria aquela onde a demanda térmica do processo variasse entre essas duas chamas, evitando o desligamento do queimador.

• Queimadores modulantes, aqueles onde a alta potência varia continuamente entre os valores mínimos e máximos. As eficiências de combustão mais elevadas, para cada caso, exigem a modulação proporcional entre as vazões de combustível e de comburente em cada posição de potência, o que nem sempre se verifica na prática.

Vistas as principais classificações, nos próximos artigos será apresentado cada tipo de queimador, com descrição mais detalhada. Aguardem.

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SIDERURGIA

Elementos Residuais nos Aços: Os Malvados Favoritos

A

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.

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adoção de processos siderúrgicos que suprimam ou, ao menos, minimizem as emissões de dióxido de carbono, o vilão-mor do efeito estufa, está na ordem do dia. Uma proposta para se atender a esse objetivo seria renunciar à produção de metal novo e passar a reciclar o aço já existente no planeta usando fornos elétricos a arco, aproveitando a oferta teoricamente farta de sucata. Dessa forma, tudo o que envolve o uso intensivo de carbono – coquerias e altos-fornos – passaria a ser dispensável.

Além disso, o investimento necessário para se implantar esses equipamentos é bem menor do que o correspondente à construção de uma usina integrada ou a reativação da produção de aço líquido onde a metalurgia primária se tornou inviável – caso, por exemplo, da antiga Companhia Siderúrgica Paulista – COSIPA. Mas ainda há dúvidas sobre a viabilidade dessa abordagem. A primeira delas é a questão do suprimento da energia elétrica necessária para o funcionamento do forno elétrico a arco, já que se dispensou o uso de carbono (na verdade, carvão) para essa finalidade.

Seria contraditório suprimir emissões de gás carbônico provenientes de coquerias e altos-fornos se a energia elétrica necessária para o forno elétrico vier de uma termelétrica acionada por combustíveis fósseis. Além disso, há usinas que acrescentam materiais carbonáceos ao forno elétrico a arco para suplementar o fornecimento de energia através de sua combustão. Logo, é necessário um estudo cuidadoso para verificar quais são as reais possibilidades de redução de emissões de CO2 através dessa abordagem, bem como sua viabilidade econômica.

Também há a questão da oferta de

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sucata barata. Os defensores dessa nova rota siderúrgica afirmam que, à medida que as nações forem se desenvolvendo e as populações se estabilizando, a demanda por aço diminuirá significativamente, e a quantidade desse metal já existente no planeta será suficiente para que seja usado de forma circular – ou seja, através de múltiplos ciclos de reciclagem. É um ponto polêmico e que merece mais discussão.

Outro problema a ser considerado é o fato de que o forno elétrico a arco possui possibilidades limitadas para refino do aço líquido. Este, por sua vez, é elaborado a partir da sucata de pós-consumo, que geralmente apresenta algum grau de contaminação. De fato: para simplificar o processo e reduzir os custos da obtenção de sucata, sua preparação nem sempre contribui para a pureza desse insumo. Por exemplo, é praxe converter carros sucatados diretamente em sucata através de seu prensamento na forma de cubos, os quais contém principalmente ferro, mas também seus elementos de liga, plásticos, uma boa quantidade de cobre usada na fiação e equipamentos elétricos do automóvel, bem como outros metais não-ferrosos.

Para piorar as coisas, o cobre é um metal muito mais nobre que o ferro e, portanto, sofre pouca ou nenhuma oxidação durante a elaboração do aço líquido. Como resultado disso, seu teor no aço vai se elevando à medida que a sucata passa por sucessivos ciclos de reciclagem, situação que também ocorre com outras impurezas, como estanho e antimônio. Esse fato cria problemas na laminação ou forjamento a quente dos produtos siderúrgicos. Inicialmente os semiprodutos siderúrgicos são aquecidos em fornos

SIDERURGIA sem atmosfera protetiva, fazendo com que o ferro presente na superfície se oxide. Mas o cobre se mantém inerte, o que faz com que sua concentração aumente nessa superfície. As temperaturas envolvidas são muito elevadas, bem acima do ponto de fusão do cobre, que fica em torno de 1050°C. Como resultado disso, o cobre segregado na superfície do semi-produto se liquefaz e começa a penetrar pelos contornos de grão do aço, enfraquecendo-os. Isso provoca a formação de trincas superficiais no semi-produto durante sua conformação a quente, as quais degradam o produto final ou podem até mesmo levar ao seu sucateamento.

Há décadas vem sendo feitos estudos para desenvolver processos que permitam a extração do cobre do aço líquido, mas até o momento ainda não há uma abordagem plenamente viável. Uma contramedida relativamente fácil para esse problema consiste na incorporação de igual teor de níquel ao aço contendo cobre mas, obviamente, isso eleva o custo do aço e reduz sua competitividade.

Uma vez dito isso, é necessário levar em conta também que as impurezas nem sempre são prejudiciais ao aço. O uso intencional de cobre, por exemplo, já é consagrado há décadas para o aumento da resistência à corrosão atmosférica em aços estruturais, uma vez que esse elemento aumenta a adesão da ferrugem já formada ao aço, a qual passa a ter efeito protetor contra a ação posterior do oxigênio. O exemplo mais comum desse tipo de aço, denominado patinável, é o CorTen, patenteado há muitas décadas atrás pela U.S. Steel. Nestes casos, os inconvenientes causados por esse elemento durante o processamento a quente do aço podem ser minimizados através da adição de níquel à liga e/ou da adoção de parâmetros específicos do processo. Outra possibilidade é a inclusão no aço de outros elementos de liga que também contribuem esse aumento de resistência à corrosão e não produzem efeitos indesejados, como o cromo, níquel, silício e fósforo, permitindo dessa forma reduzir o teor de cobre, mas sem prejudicar o desempenho do produto e sem afetar seu processo de fabricação. Curiosamente, o antimônio, outra impureza que afeta a ductilidade a quente, também contribui para aumentar a resistência do aço à corrosão atmosférica.

Além disso, o cobre, em teores da ordem de 0,8 e 1,0%, aumenta significativamente a resistência mecânica do aço através de precipitação, abordagem que já vem sendo adotada com sucesso em alguns produtos.

Falando em residuais, acabou de ser citado o fósforo, elemento que prejudica bastante a tenacidade do aço,

fato que geralmente obriga à minimização de seu teor.

Contudo, em aplicações onde os requisitos de tenacidade não são tão críticos, é possível aproveitar seus efeitos benéficos. Já foi citado anteriormente o aumento da resistência à corrosão atmosférica que o fósforo promove.

E, em alguns tipos de chapas finas laminadas a frio, adições de fósforo aumentam significativamente sua resistência mecânica sob custos muito baixos.

Também o enxofre é outro elemento muito mal visto.

Sob altas temperaturas, o enxofre se combina com o ferro, formando inclusões líquidas que reduzem a ductilidade a quente do produto e que levam à formação de trincas nas bordas das chapas laminadas a quente. Esse problema é facilmente resolvido mediante a adição de manganês ao aço. Este elemento forma inclusões de alto ponto de fusão com o enxofre que, portanto, já se encontram sólidas no momento da conformação a quente e não comprometem a integridade do laminado. Em compensação, tais inclusões se deformam durante a laminação a quente e se alongam, constituindo pontos concentradores de tensão no produto acabado que reduzem sua tenacidade. A solução para isso é tratar o aço líquido com cálcio, elemento que globuliza essas inclusões e reduz seu efeito deletério sobre a tenacidade.

Mas há casos em que o enxofre é benéfico, como quando se quer facilitar a usinagem dos produtos siderúrgicos. Neste caso, as numerosas inclusões de MnS formadas promovem a quebra fácil dos cavacos, evitando que se formem longos cordões que podem enroscar na máquina-ferramenta.

Há outros exemplos sobre o papel dual das impurezas nas propriedades do aço, mas as restrições de espaço impedem sua descrição aqui. Mas fica a ideia de que a definição de um projeto de liga exige uma visão ampla sobre o efeito metalúrgico e o impacto econômico dos diversos elementos de liga, bem como uma boa dose de pragmatismo.

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OUT A DEZ 2020 19

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

Óleo de Têmpera: Qual Utilizar?

D

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.

istorções, microestrutura final, tensões residuais, dureza. Afinal, qual óleo é o ideal? O óleo que estou usando atualmente é o melhor? Será que existe algum outro óleo que possa me fornecer um resultado ainda melhor? Eu tenho mesmo que investir em um teste para comparar óleos? É comum fornecedores de óleo nos apresentarem um resultado de um teste, feito em laboratório seguindo normas como a ISO 9950 ou ASTM 6200, no qual sugere-se que está atestada a eficiência do óleo. No entanto, o profissional de tratamento térmico fica absolutamente vendido ao tentar interpretar as informações. Além disso, as condições de laboratório são diferentes das condições na prática, a começar pela geometria da peça e pela sua composição química, passando pela disposição da carga, pela temperatura no forno, pela agitação, temperatura e decomposição do óleo, além de tratamentos térmicos e/ou termoquímicos antes e depois da têmpera ou martêmpera.

Por exemplo, se considerarmos três óleos distintos, com seus ensaios representados na Fig. 1, é possível observar que estes possuem comportamentos específicos e, portanto, vão fornecer resultados diferentes no tratamento

Fig. 1. Representação comparativa da temperatura (T) em função do tempo (t) para o teste de têmpera em laboratório de três óleos distintos 20 OUT A DEZ 2020

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térmico de componentes metálicos.

Teoricamente, os três óleos possuem uma boa capacidade de fornecer durezas dentro do especificado. Contudo, a curva em verde possui uma menor duração da camada de vapor, o que pode melhor homogeneizar a transferência térmica ao longo da superfície da peça. No entanto, embora ela mantenha um resfriamento líquido equiparado aos demais óleos, a formação de martensita pode ser maior, o que poderia vir a distorcer mais o componente. O óleo em vermelho acelera o resfriamento durante a formação da camada de vapor, embora longa, a qual é quebrada com tempo similar ao óleo em azul. Dependendo da composição química e do ponto de medição, ambos os óleos podem ter formação acentuada de fases difusionais, reduzindo distorções, mas podendo também reduzir a dureza. Enfim, além dessas existem muitas outras considerações só de olhar para as curvas dos óleos. Mas essas considerações ainda sim são teóricas.

A alternativa comum então é propor um teste físico, tratando a peça. Leva-se meses planejando, envolve-se muitos profissionais, adquire-se uma quantidade considerável do óleo e interrompe-se a produção, ou então monta-se uma outra estrutura somente para o teste. Enfim, os custos podem ser muitos.

Ainda assim, infelizmente, o resultado do teste pode não ser confiável. Basta perguntar: qual profissional de tratamento térmico nunca teve a experiência de repetir um mesmo tratamento térmico, para um mesmo tipo de peça, e ter resultados diferentes?

O tratamento térmico é um processo extremamente complexo. Complexa também é a atividade de controlar variáveis de forno e de resfriamento, sem falar na composição química. Por mais que um processo seja considerado muito bem controlado, quando o assunto é precisão, sempre haverá fenômenos de

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

LEIA ONLINE

Fig. 2. Representação da curva de resfriamento e do coeficiente de transferência térmica (HTC) para um determinado óleo

influência que podem não estar sendo controlados. Isso tudo considerandose tratadores cativos. Para tratadores prestadores então sem se fala.

A alternativa mais indicada para testar diferentes respostas no tratamento térmico é a simulação.

Vamos começar com o básico: em uma simulação nós temos a certeza de que as condições do processo estão totalmente controladas. Mas pra muito além disso, a simulação efetivamente descobre tudo aquilo que está encoberto na prática, evidencia todos os fenômenos, mostra a transformação de cada fase ao longo do tempo e em função da temperatura, mostra a variação das dimensões e distorções ao longo do processo, a variação das tensões internas, precipitações, difusões e vários outros fenômenos. Ela pode ser utilizada como ferramenta na atividade de aumentar o controle de um processo cativo ou pode ser utilizada na definição otimizada do processo de cada nova peça de um prestador.

Em especial, o software DANTE é uma tecnologia extremamente avançada. É totalmente focado em tratamento térmico e possui um banco

de dados extenso para as operações de aquecimento e resfriamento, incluindo o revenimento. Com ele é possível pegar o teste do óleo e obter o coeficiente de transferência térmica (HTC) para aquele óleo, assim como exemplificado na Fig. 2, e aplicar nas peças de interesse. Existe também a opção de se utilizar softwares dedicados a processos de conformação mecânica e que incluem módulos de tratamentos térmicos, como o QForm, e que podem demandar dados de materiais obtidos experimentalmente ou a partir do simulador de materiais JMatPro®.

Embora ainda possa haver alguma resistência em implementar a simulação, é inegável que ela traz redução de custos e muita inovação.

Toda mudança causa desconforto, mas esta é extremamente necessária. A simulação pode servir como um teste do óleo para a empresa que o utilizar e, até mesmo, balizar o desenvolvimento de novos óleos com maior eficiência e qualidade. Utilizar a simulação é fazer a Engenharia como ela deve ser feita hoje, é implementar a Indústria 4.0, é encurtar o tempo de testes e reduzir os custos.

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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.

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OUT A DEZ 2020 21

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO

A Ordem é Focar no Produto e Postergar P&D

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 encerrar este ano de 2020 com uma coluna que resume a situação do setor automotivo no campo de pesquisas e desenvolvimentos, na ótica de quem esteve boa parte do ano envolvido com este tema e também nas prioridades das empresas.

O ano de 2020 começou a 1000 por hora, quando após o Carnaval iniciou uma catástrofe sem precedentes, isto é, um colapso geral no segmento de produtos no geral; em janeiro, as vendas automotivas estavam fortemente aquecidas, assim como o mercado financeiro e ao retorno do feriado mais longo do Brasil de 2020, tudo de inusitado ocorreu, o qual discutirei ao longo deste texto.

Os departamentos de Material flow e Comercial das grandes montadoras viveram um verdadeiro inferno em vista das situações ocorridas neste ano; imaginem que, no início do ano com um aquecimento em reta de ascensão a partir de janeiro, de repente as empresas estrangeiras que abastecem boa tarde de nossos produtos locais, diante da mega pandemia global, passaram a fechar as portas em meados de janeiro e fevereiro,

Consulte-nos: +55 19 3090-2444 kanthal.brasil@kanthal.com

22 OUT A DEZ 2020

Industrial Heating

porém a produção automotiva local ainda continuou por mais algum tempo até que as peças começaram a faltar para montar veículos, tornando impossível manter uma produção normal, levando a uma disrupção contínua das linhas de montagens e por fim o lock down brasileiro interrompendo qualquer atividade fabril. Quando tudo parecia estar calmo e aguardando o retorno das atividades do setor, os executivos se depararam com uma grande quantidade de peças automotivas importadas, que ainda estavam em trânsito, vindas de locais distantes e que chegaram nas fábricas no meio de uma paralisia de 2020; inevitavelmente precisou-se achar um local de estoque para elas e encontrar soluções para mitigar a agressão dos intempéries ambientais na sua qualidade por períodos que poucos sabiam a duração; foi outro grande desafio pelo fato das montadoras praticarem estoque zero e manter estes produtos dentro de casa foi muito complicado. De 5 a 6 meses posteriores ao início do lock down, as montadoras voltaram a montar gradativamente seus produtos, porém a demanda reprimida de consumidores desesperados por veículos fez a

70 ANOS de BRASIL

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO 2020 e postergarem para o final deste ano e certamente procura de automóveis aumentar a uma velocidade incrível, carregando a maior parte para 2021, que incrivelmente daí veio a falta de peças devido as empresas sistemistas, resultará no aumento considerável do potencial financeiro como os tiers 1, 2 e 3, terem na maioria reduzidos seus de P&D no País em 2021. Em breve, viveremos momentos quadro fabris e atividades para sobrevirem diante a crise, interessantes e oportunidades únicas, vale à pena ficar e por isto não conseguirem reagir em tempo para atender próximo a tudo isto e se posicionar no início da fila. as montadoras no período posterior ao mês de agosto deste Obrigado e até a próxima coluna do IH. ano, novamente os executivos depararam em situações bem desafiadoras. Ao mesmo tempo desta situação dramática, a procura de matéria prima de polímeros, espumas e metais entre outras veio fortemente causar a maior dor de cabeça de todas; como por exemplo, as usinas do aço têm uma reação produtiva de 3 a 6 meses para planejarem corridas de metais, e como conseqüência dos “zero” pedidos durante o lock down, muitas até desligaram seus grandes fornos e reatores, porém no retorno das atividades do setor automotiva já não se encontravam aços para atender a todos, levando a um verdadeiro leilão dos estoques existentes, conseqüentemente Com geração elevando o preço de até três vezes para alguns própria de clientes despreparados, certamente os mais hidrogênio rápidos e com maior poder de negociação tiveram Um eletrolisador vantagens neste momento. Também a constante de Hidrogênio Nel vai falta de matéria prima exigiu muito esforços dos ajudar a economizar dinheiro, otimizar operações especialistas de materiais para criarem soluções e aumentar seu lucr. temporárias e razoáveis para manter a produção andando e esta situação deve continuar até • Tecnologias Alcalinas e Proton® PEM • Seguras, limpas e econômicas meados de 2021.

• Pureza e pressão consistentes A razão da descrição da situação acima • Elimine a entrega e armazenamento de hidrogênio • Dimensionado para atender a qualquer aplicação foi para justificar que a grande maioria dos executivos da área de P&D se dedicaram exclusivamente para estes problemas produtivos, postergando boa parte das decisões de projetos, planos e estratégias de P&D, que de certa forma esvaziou a procura por editais de fomentos e principalmente do Rota 2030 para alguns casos; mesmo as universidades e institutos de P&D trabalhando fortemente para ter uma das únicas fontes provenientes de recursos para 2020; que inevitavelmente não foi suficiente para que a maioria delas reduzissem consideravelmente Visite-nos on-line ou ligue hoje para uma consulta seus quadros de professores. O resultado de toda com um de nossos engenheiros de vendas! +1.203.949.8697 esta confusão levou as Fundações de P&D e www.nelhydrogen.com donas de recursos, como a FUNDEP, SENAI, EMBRAPI e FINEP a estocarem parte de seus recursos financeiros capturados de 2019 a

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OUT A DEZ 2020 23 4/16/20 3:04 PM

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Fornos de manufatura aditiva TAV atendem segmentos com processos rigorosos Os fornos a vácuo TAV para manufatura aditiva são ideais para setores com processos rigorosos, que exigem eliminar contaminantes, como o automotivo, aeroespacial e as indústrias médica e odontológica.

Os equipamentos podem ser utilizados para realizar todos os tratamentos térmicos necessários para melhorar as propriedades mecânicas das ligas impressas em 3D e, consequentemente, aumentar o desempenho do produto final.

Além disso, os fornos TAV têm alto vácuo e são ideais para tratamentos como solubilizações, têmpera, revenimento, alívio de tensões, entre outros.

Diferente de fornos com atmosfera controlada, com resfriamento em água ou óleo, o forno a vácuo garante uma velocidade de resfriamento adequada para solubilizar e endurecer as ligas impressas sem induzir deformações no componente. Os fornos TAV seguem à risca questões ambientais e de segurança interna, se isentando em relação a gases gerados, chamas abertas e descarte de óleo residual.

Os equipamentos possuem classificação e 24 OUT A DEZ 2020

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instrumentação de acordo com o padrão AMS2750F. Além disso, são certificados pela NADCAP. Vale lembrar que a AMS2750F é uma referência no setor médico. O sistema é mais complexo e tecnologicamente avançado permitindo que a maioria das ligas atualmente usadas na impressão 3D sejam tratadas termicamente por esse meio.

Mas, a TAV é especializada exclusivamente na fabricação de fornos a vácuo de alta temperatura. Isso nos permite oferecer soluções especiais e sistemas específicos para o processamento de materiais inovadores e produtos sensíveis. A TAV tem know-how necessário para aumentar a produtividade e a eficiência de empresas, atendendo aos mais rigorosos regulamentos de segurança e ambientais.

Com o objetivo de simplificar ao máximo as tarefas dos clientes, projeta e fabrica produtos e componentes personalizados, que sempre atendem às demandas do mercado e às novas necessidades que surgem.

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Combustol Fornos vendeu e instalará um forno de alivio de tensões contínuo com duas pistas e capacidade de produção de 3000 kg por hora Forno está em testes em sua moderna planta de Jundiaí desenvolvida especificamente para fabricação de fornos industriais.

O equipamento é elétrico e possui cerca de 500 kw de potência instalada, utilizando nos testes em Jundiaí um gerador de potência.

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CARACTERIZAÇÃO CARACTERIZAÇÃO&& TESTE TESTEDEDEMATERIAIS MATERIAIS

Mantendo Elevados Padrões de Tratamento Térmico: Aprendendo com a Indústria de Dispositivos Médicos Performance Review Institute (PRI) – Warrendale, Pa., EUA A pandemia COVID-19 ainda está em andamento no momento em que este artigo foi escrito.

A terminologia com a qual não estávamos familiarizados entrou em nosso vocabulário.

Distanciamento social, abrigo no local e licença agora fazem parte de nosso léxico diário. Todas essas são medidas, entre outras, instituídas para nos proteger.

A

ssim como os indivíduos, cada empresa terá seus desafios únicos e também alguns pontos em comum. Para tratadores térmicos, a necessidade de manter as aprovações do cliente, credenciamentos do setor, calibração do equipamento e eficiência do forno são vitais para sua capacidade atual e futura de fornecer serviços de tratamento térmico. No entanto, isso não é fácil de alcançar em condições ideais, e o mundo de hoje é indiscutivelmente abaixo do ideal.

Para tratadores térmicos trabalhando na fabricação de dispositivos médicos, a necessidade é indiscutivelmente maior do que em outras indústrias não críticas. As vidas dependem da qualidade das peças que são produzidas. Para evitar deficiências de produção, processos críticos, como tratamento térmico, devem ser validados durante a fabricação para provar que são adequados para a finalidade, atendem aos requisitos regulamentares e reduzem o risco geral.

Uma maneira de demonstrar foco contínuo na qualidade do processo de tratamento térmico é por meio do programa MedAccred. MedAccred é uma abordagem gerida pela indústria e orientada por consenso para garantir a qualidade crítica do processo de fabricação em toda a cadeia de suprimentos de dispositivos médicos. Com o objetivo de reduzir o risco à segurança do paciente, o MedAccred aborda os desafios da indústria, como número de recalls, fluxo para fornecedores de subníveis e controles de compra por meio de uma abordagem compartilhada em toda a indústria. Os assinantes incluem Johnson & Johnson, Medtronic, Philips, 26 OUT A DEZ 2020

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Stryker, Boston Scientific, Baxter, Roche Diagnostics, Bausch Health e BD. O MedAccred Heat Treatment Task Group, liderado por Bruce Dall da Stryker, avalia o desempenho dos tratadores térmicos na indústria de dispositivos médicos em relação a critérios de auditoria predeterminados. Os auditados recebem uma visão de suas oportunidades de melhoria por meio da identificação de não conformidade, e aqueles que atuam no mais alto nível recebem a acreditação MedAccred.

Dall, que é o engenheiro de qualidade da equipe sênior - moldagem por injeção de metal - na Stryker, diz: “Na maioria dos outros ambientes, somos organizações concorrentes, mas quando nos reunimos como um grupo de tarefas MedAccred, somos capazes de colocar de lado nossas rivalidades e trabalhar no interesse pela qualidade para produtos consistentemente mais seguros para nossos pacientes”.

“Em última análise, o objetivo é atingir um nível consistentemente alto de qualidade de produto de nossos fornecedores de processos especiais. O fato de estarmos vendo fornecedores avançando para ganhar proativamente uma certificação de tratamento térmico da MedAccred é uma forte indicação de quão importante este programa será para o futuro da indústria, e estou orgulhoso de estar na vanguarda desse esforço”.

Se a sua organização, como muitas neste momento, está tentando equilibrar muitas demandas concorrentes, as dicas a seguir compiladas pela equipe MedAccred podem ser úteis.

CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS

Mantenha sua Atividade de AutoAuditoria Mesmo que seja limitado a uma revisão da área de trabalho neste momento, garantir um foco contínuo em seus procedimentos e registros significa que eles permanecem na mente e pode ajudar a evitar erros bobos quando as operações normais forem retomadas. Esta pode ser uma oportunidade para os tratadores térmicos garantirem que os seguintes registros sejam atualizados: • Lista de equipamentos • Lista de serviços adquiridos • Lista de pessoal de qualidade e pessoal de tratamento térmico aprovado em cada turno • Lista de clientes e especificações • Lista de especificações de tratamento térmico para as quais você trabalha

termicamente • Organograma • Treinamento de pessoal Comunique-se Aberta e Frequentemente Seus clientes, registradores, reguladores, fornecedores e outras partes interessadas querem saber como você está indo.

O desempenho do seu negócio afeta mais do que o seu negócio. Todos nós estamos enfrentando muitos dos mesmos desafios, então você pode obter extensões, isenções, etc. para cobri-lo por este período..

de extensão de credenciamento virtual para permitir que as empresas cujos credenciamentos deviam caducar fossem uma forma segura de manter seu status. Embora não seja tão desejável quanto uma auditoria no local, ela está preenchendo a lacuna por enquanto.

Atualize Seus Controles de Processo Você deve ser capaz de demonstrar que revisou os requisitos de controle de processo para cada um de seus clientes e que possui um procedimento interno e um “sistema” que documenta a conformidade, incluindo outros testes e controles exigidos pelas especificações.

Adapte-se Quando Possível Certifique-se de ter atualizado seus Quando “negócios, como sempre” simplesmente não é uma opção, trabalhe documentos internos para refletir quaisquer contingências que você com seus clientes e reguladores para tenha para a situação atual. Alguns identificar quais adaptações você pode dos controles de processo a serem fazer para continuar a fornecer o serviço considerados incluem: de que precisam no nível que esperam.

• Teste da pirometria Enquanto você mantém o controle AMS 2750 é o principal padrão de pirometria referenciado pela indústria aeroespacial • Teste de tração baseado em lote ou decritérios qualquerdeatividade a um nos auditoriaconcedida do Nadcap.

Esta especificação cobre os requisitos periódico desvio temporário de um requisito, pirométricos para equipamentos de processamento térmico usados para tratamento térmico. incluide sensores de temperatura, instrumentação, equipamento de (por • Teste metalúrgico periódico evitar oIsso desastre não retornar à processamento de precisão e pesquisas uniformidade exemplo, teste IGOde / IGA, fusão conformidade térmico, uma veztestes que essa situação do sistema de temperatura.

Eles são necessários para garantir que as crítico peças ou matérias-primas sejam tratadas de eutética, difusãotermicamente de revestimento, tenha passado será para a • Cópia dos procedimentos acordo com as especificações aplicáveis. Publicado inicialmente em 1980, a revisão E foi emitida em 2012. Após uma oxidação de alta temperatura, etc.) conformidade contínua. gerais internos para processamento revisão completa, o FDA - Food and Drug Administration (Administração Federal de Alimentos e Medicamentos dos EUA) • Teste de descarbonetação / Os assinantes do MedAccred de tratamento térmico, pirometria e concedeu o reconhecimento completo do AMS 2750 para uso no tratamento térmico de dispositivos médicos. contaminação de superfície autorizaram recentemente auditorias teste / inspeção do produto tratado Industrial Heating

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CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS

• Contaminação superficial de aços (IGA / IGO, descarbonetação) • Teste de titânio (camada Alpha e captador de hidrogênio)

• Teste de taxa de vazamento • Teste de captação de hidrogênio • Teste de qualificação de primeiro lote de forjamento • Cementação e AC7101 / 4: Gás e / ou íon / plasma • Metalografia / microdureza

Aprenda lições com os dados disponíveis O grupo de tarefas de tratamento térmico MedAccred publicou um manual de auditoria e um guia de pirometria, que valem a pena ler. Além disso, o programa Nadcap publica uma visão geral de algumas não conformidades comuns que surgem em auditorias de tratamento térmico. Qualquer tratador térmico em busca de oportunidades para garantir a robustez de sua operação deve considerar o seguinte: • Realize auto-auditorias regulares e completas cobrindo todos os aspectos do seu tratamento térmico, acompanhe quaisquer preocupações com a análise da causa raiz (cinco porquês ou Ishikawa são ótimas ferramentas para isso) e implemente ações corretivas sustentáveis. Valide se as ações corretivas são realmente sustentáveis em uma data posterior.

• Em circunstâncias normais, não limite sua atividade de

Estudo de Caso

A

Vac-Met Inc. obteve a certificação de tratamento térmico da MedAccred em julho de 2018. Esta foi uma conquista de muito orgulho para nossa equipe. A auditoria MedAccred não é um simples exercício de caixa de seleção. O auditor analisa profundamente os procedimentos e registros, bem como observa o processamento das peças em tempo real. Ficamos muito satisfeitos em receber o credenciamento contínuo após nossa primeira auditoria de recredenciamento no ano passado, como prova de nosso foco contínuo na conformidade com os requisitos do cliente e padrões da indústria, como AMS 2750.

Estávamos envolvidos com o programa Nadcap desde 2003.

Embora sem dúvida nos beneficiamos das semelhanças entre os programas, a indústria de dispositivos médicos, assim como a indústria aeroespacial, tem seus requisitos específicos.

Um exemplo é a necessidade de validação do processo como parte do programa MedAccred. Isso não faz parte da auditoria do Nadcap.

A pandemia COVID-19 colocou nossa próxima auditoria de recredenciamento do MedAccred em risco. Sem culpa nossa - ou de qualquer outra pessoa - corríamos o risco de perder nosso credenciamento. Medidas como restrição de viagens e distanciamento social, além da preocupação com a segurança e o bem-estar de todos os envolvidos na auditoria, tornavam cada vez mais difícil a realização de uma auditoria in loco.

Estávamos certos de que queríamos manter o cobiçado credenciamento MedAccred pelo qual trabalhamos tanto.

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Portanto, trabalhamos com a equipe do MedAccred e, no momento em que este artigo foi escrito, estávamos ansiosos para ser os primeiros a pilotar a auditoria de extensão de credenciamento virtual do MedAccred. Isso dará ao auditor MedAccred a oportunidade de conduzir nossa auditoria à distância, cobrindo os principais requisitos e permitindo à Vac-Met Inc. uma extensão de três meses em nosso credenciamento. É ideal? Não. Mas, esperançosamente, isso nos permitirá demonstrar que, mesmo em tempos difíceis, nossa dedicação à qualidade e capacidade de satisfazer os requisitos de nossos clientes é verdadeira, e isso nos fornecerá até que os tempos sombrios tenham passado e possamos receber o auditor MedAccred de volta ao local novamente.

- Wayne Terwilliger, gerente de planta, Vac-Met Inc.

CARACTERIZAÇÃO & TESTE DE MATERIAIS

auto-auditoria à papelada. Passe algum tempo no chão de fábrica observando os operadores no trabalho.

• Certifique-se de que seu procedimento interno especifica o método para determinar a taxa de aquecimento, início do tempo de imersão, fim do tempo de imersão e taxa de resfriamento. Omitir esses detalhes é uma não conformidade comum em auditorias Nadcap.

• Mantenha a calibração de seu equipamento e registros associados atualizados. Isso inclui instrumentos de vácuo, medidores de vazão, medidor (es) de ponto de orvalho e os medidores principais relacionados.

• Verifique se os registros e adesivos de calibração do instrumento e a calibração do padrão primário, secundário e instrumentos de teste de campo mostram conformidade com os requisitos da AMS 2750 ou requisitos mais rigorosos do cliente.

• Verifique se há um sistema implementado para revisar os procedimentos de pirometria e os resultados dos testes (realizados internamente ou por uma fonte externa) para garantir que o AMS 2750 ou requisitos mais rigorosos do cliente sejam atendidos.

• Certifique-se de que o procedimento TUS interno está em conformidade com os requisitos da AMS 2750 ou

requisitos mais rigorosos do cliente. Certifique-se também de que as temperaturas indicadas por todos os termopares do forno sejam registradas e incluídas como parte do registro TUS e que os fatores de correção do termopar sejam declarados sem ambigüidade e usados corretamente.

• Validar se o procedimento SAT interno está em conformidade com os requisitos da AMS 2750 ou requisitos mais rigorosos do cliente. Valide também se os SATs são realizados nos sistemas de controle e registro de temperatura, conforme exigido pelo tipo de instrumentação aplicável, bem como quaisquer sistemas de registro adicionais usados para aceitação do produto em cada zona de controle de cada peça do equipamento de processamento térmico.

PARA MAIS INFORMAÇÕES: Entre em contato com com Connie Conboy, diretora, Programa MedAccred, Instituto de Avaliação de Desempenho (PRI - Performance Review Institute) em MedAccred@p-r-i. org.

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CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Desafios Críticos de Tratamento Térmico Resolvidos com Modelamento Computacional Prático – Parte I J. Sims, T. YU, Z. Charlie Li e B. L. Ferguson (DANTE Solutions Inc., EUA) O objetivo de qualquer processo de tratamento térmico de aço é controlar a microestrutura resultante e melhorar o desempenho da peça durante a aplicação. Historicamente, tratamentos térmicos são baseados somente na experiência. Entretanto, com melhorias no capacidade e na eficiência computacional, tornou-se possível simular processos complexos de tratamento térmico. [1] Simulações de tratamentos térmicos podem remover a caixa preta inerente aos processos de tratamentos térmicos, revelando sua natureza complexa, e tornando esses processos transparentes e flexíveis. Softwares de simulação de tratamentos térmicos, como o DANTE, foram usados para melhorar o desempenho de peças e o controle do processo em aplicações na indústria. [1-7] Esta é a primeira de quatro partes de um artigo, examinando a modelagem de tratamentos térmicos. Nesta primeira parte, são revisados a modelamento de tratamentos térmicos utilizando o software DANTE de simulação desses processos, em conjunto com o ANSYS, para modelar diversos processos de tratamentos térmicos. As três demais partes examinarão diferentes estudos de caso usando o DANTE.

Modelamento de Processos de Tratamento Térmico A realização virtual de um processo de tratamento térmico requer a solução para quarto fenômenos físicos: difusão de massa para os processos de cementação e nitretação; transferência de calor para os processos de aquecimento e resfriamento; tensão e deformação para a previsão de deformação e tensão residual; e transformações de fase de estado sólido para previsões da evolução da microestrutura.

O software de simulação de tratamento térmico, DANTE, leva em consideração todos esses fenômenos. [4] Entretanto, associados a esses quatro fenômenos, existem diversos fenômenos secundários que precisam ser considerados para prever as respostas de uma peça em um processo de tratamento térmico. Esses fenômenos secundários incluem o calor latente de transformação, aumento da 30 OUT A DEZ 2020

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dureza e recuperação da microestrutura, transformações induzidas por plasticidade, formação de carbonetos, dissolução etc.

O método mais eficiente computacionalmente de solução para simulação de tratamento térmico usando o DANTE, quando vinculado à plataforma ANSYS, é por acoplamento sequencial das análises necessárias. A Fig. 1 mostra um esquema dos modelos necessários para simular com sucesso um processo

de tratamento térmico, suas saídas e o fluxo das saídas de um modelo para o próximo.

Calculando a difusão de carbono, e a formação/dissolução de carbonetos quando aplicável, o Modelo de Cementação determina a distribuição de carbono para toda a peça. Esse modelo pode ser ignorado caso não seja conduzida cementação. O Modelo Térmico é o mais significativo, uma vez que o mesmo determina o histórico térmico

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

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Fig. 2. Esquema do Workbench do projeto para quatro modelos de tratamento térmico DANTE: A) Cementação a gás, seguida por têmpera a óleo; B) Cementação a baixa pressão, seguida por têmpera a gás a alta pressão; C) Têmpera por indução; e D) Carregamento estático, considerando as tensões residuais do tratamento térmico

do componente e é usado pelo Modelo de Tensões para prever as tensões e deformações resultantes a partir do histórico térmico. As condições de contorno térmicas aplicadas ao Modelo Térmico devem ser representativas do equipamento utilizado na realidade e, assim, a caracterização de todos os equipamentos para obtenção dos coeficientes de transferência de calor é fortemente encorajada. O Modelo Térmico usa a distribuição de carbono para determinar o tempo das transformações de fase e as subsequentes propriedades térmicas em função da fase, do teor de carbono e da temperatura. A distribuição de carbono e o histórico térmico são então mapeados no Modelo de Tensões, que prevê as tensões durante o processo, o deslocamento e a evolução microestrutural, além da dureza final.

Uma abordagem intuitiva para o método de acoplamento sequencial para o modelamento de processos de tratamento térmico é possivel utilizando-se ANSYS Workbench. A Fig. 2 apresenta

o esquema do Workbench para quatro modelos DANTE usando a mesma geometria. A disposição é bem aplicada em análises de sensitividade (paramétricas), através das quais diferentes variáveis de processo podem ser avaliadas por diferentes modelos da mesma peça.

A Fig. 2A é para um processo de cementação a gás, seguido por uma tempera a óleo. Tanto a têmpera por imersão em óleo quanto a têmpera em matrizes são modeladas dessa maneira, sendo a única diferença a adição das ferramentas da têmpera no Modelo de Tensões. Já a configuração do Modelo Térmico vale para os dois processos. A Fig. 2B é para um processo de cementação a baixa pressão, seguido de uma têmpera a gás em alta pressão. Já a Fig. 2C é para um processo de endurecimento por indução.

Não há Modelo de Cementação em um processo de endurecimento por indução, uma vez que o carbono base é inserido diretamente nos Modelos Térmico e de Tensões. Entretanto, existe a adição de Dados Externos que consiste nas

informações do Aquecimento Joule em função do tempo e da profundidade da superfície da peça. O histórico do perfil de Aquecimento Joule pode ser calculado usando softwares de modelamento eletromagnético, ou construído manualmente usando dados experimentais.

Finalmente, a Fig. 2D é um modelo de carga que considera as tensões residuais do processo de tratamento térmico.

Dados Externos são usados para mapear as tensões residuais no modelo de carregamento.

Quando vinculado ao ANSYS, o DANTE oferece ao engenheiro de processo, ao projetista, ou ao professional de tratamento térmico uma abordagem intuitiva e acessível para o usuário para o modelamento de tratamentos térmicos.

Isso é possibilitado por uma extensão desenvolvida pela DANTE Solutions dentro do Aplicativo de Customização do Kit de Ferramentas (ACT) do ANSYS, que guia o usuário pelas configurações do modelo e pelo pós-processamento dos resultados do modelo. A Fig. 3 apresenta o DANTE ACT para os quatro modelos diferentes disponíveis no DANTE: Cementação, Nitretação, Térmico e de Tensões. Os ícones ou botões para a esquerda da marcação são para pré-processamento (configuração do modelo) e os botões para a direita da marcação são para o pós-processamento (análise dos resultados do modelo).

O ACT apresentado na Fig. 3 é projetado para providenciar para o usuário uma forma simples e intuitiva de configurar o modelo. Começando pela esquerda e adicionando cada botão em sucessão até que a barra única seja completada, o usuário garante que cada parâmetro necessário para executar o modelo DANTE foi definido. Depois do modelo estar complete, os vários resultados do DANTE, incluindo AusIndustrial Heating

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tenita, Martensita, Dureza etc. podem ser adicionados através do botão de Resultados DANTE. Os botões necessários para o Modelo de Cementação do DANTE são mostrados na Fig. 3A e incluem a seleção de materiais da base de dados de materiais do DANTE, a temperatura de cementação em função do tempo, controles do modelo para limitação da mudança de carbono por step na análise, a frequência na qual os resultados são salvos e a verificação final do modelo para completar o pré-processamento. Os botões do pós-processamento para o Modelo de Cementação do DANTE incluem os Resultados de Carbono, incluindo o Carbono Total, Carbono em forma de Carbonetos etc. e uma função para gerar automaticamente o arquivo de distribuição de carbono necessário para os Modelos Térmico e de Tensões.

O Modelo de Nitretação do DANTE, mostrado na Fig. 3B, usa os mesmos botões de pré-processamento que o Modelo de Cementação, exceto pela Temperatura de Cemetação, que é substituída pela Temperatura de Nitretação. Os botões de pós processamento para o Modelo de Nitretação são os mesmos do Modelo de Cementação, exceto para as variáveis agora relacionadas ao Modelo de Nitretação, i.e., Nitrogênio Total, Nitrogênio em Nitretos etc.

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O Modelo Térmico do DANTE, mostrado na Fig. 3C, e o Modelo de Tensões, mostrado na Fig. 3D, requerem as mesmas variáveis de pré-processamento. Essas incluem a seleção do material na base de dados do DANTE, um conjunto de controles do modelo, a frequência na qual os resultados são salvos, o mapeamento dos possíveis perfis de carbono ou nitrogênio e uma verificação final do modelo. O Modelo de Tensão também inclui a capacidade de mapeamento de um arquivo de histórico térmico externo, uma opção a mais em relação à prática de simular o comportamento térmico dentro do próprio Workbench.

O botão de Material para os Modelos Térmico e de Tensões permite ao usuário definir a microestrutura inicial em termos das frações de fase, assim como a temperatura de revenimento, se aplicável, podendo afetar a deformação final da peça.

A composição de liga do material também pode ser modificada levemente para considerar variações na composição de liga de uma classe específica de aços. O botão de Controle do Modelo oferece ao usuário a habilidade de ativar ou desativar determinados modelos DANTE. Os modelos incluem dissolução de carbonetos durante o aquecimento, alívio de tensões residuais, calor latente, rejeição de carbono durante a formação de ferrita

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Fig. 3. ACT do ANSYS para o software de tratamento térmico DANTE. A distribuição das opções permite uma progressão natural da montagem dos modelos e a inspeção dos resultados

e muitos outros.

Os botões de pós-processamento para o Modelo Térmico incluem os Resultados DANTE, frações de fase, carbono em cada fase, dureza, temperatura etc. e uma forma de exportar rapidamente o histórico térmico, a localização do nó e a temperatura em cada incremento de tempo salvo, de todo o modelo, que pode ser usado pelo Modelo de Tensões.

Conclusão Foi discutido modelamento de processos de tratamento térmico, assim como uma breve introdução ao software DANTE. A facilidade de uso oferecida pelo software DANTE, da forma que ele é implementado no ANSYS com uma interface customizada específica para tratamento térmico, também foi brevemente descrita. A simulação de tratamentos térmicos pode ser uma ferramenta muito eficiente para projetistas, engenheiros de processo e outros profissionais de tratamento térmico procurando projetar, melhorar ou solucionar problemas em seus processos de tratamento térmico.

Através da remoção do mistério cercando o processo de tratamento térmico, a modelagem desses processos permite a otimização da microestrutura da peça, a minimização da distorção e o controle das tensões residuais através do processo e de possíveis modificações na geometria.

Tradução feita gentilmente por O. C. Haase (SIXPRO Virtual&Practical Process, Brasil).

(2012), pp. 99-104.

[4] B.L. Ferguson, Z. Li, and A.M. Freborg, “Modeling Heat Treatment of Steel Parts,” Computational Materials Science, Vol. 34 (2005), pp. 274-281.

[5] Zhichao Li and B. Lynn Ferguson, “Process Innovation to Eliminate Cracking Problems in Large Diameter Parts with Nonuniform Wall Thickness,” Proc 27th ASM Heat Treating Society Conference, Indianapolis, IN, September 2013, pp. 125-128.

[6] Reardon, Arthur, et al., “Understanding

Referências

Process Sensitivities in Press Quenching:

[1] Zhichao Li, Andrew Freborg, and B. Lynn

An Integrated Approach,” Proc 28th ASM

Ferguson, “Applications of Modeling to

Heat Treating Society Conference, Detroit,

Heat Treat Processes,” Heat Treating

MI, October 2015, pp. 233-251.

Progress, May/June 2008, pp. 28-33.

[2] Zhichao Li, Andrew Freborg, and B. Lynn

[7] Li, Zhichao, et al., “Press Quench Process Design for a Bevel Gear using Computer

Ferguson, “Effective Design of Heat Treat

Modeling,” Proc 23rd IFHTSE Congress,

Processes Using Computer Simulations,”

Savannah, GA 2016, pp. 78-87.

Proc 24th ASM Heat Treating Society Conference, Detroit, MI, September 2007, pp. 205-213.

[3] Siva N. Lingamanaik and Bernard K. Chen, “The Effects of Carburising and

PARA MAIS INFORMAÇÕES: Contate J. Sims, T. YU, Z. Charlie Li e B. L. Ferguson, DANTE Solutions Inc., EUA.

Quenching Process on the Formation of Residual Stresses in Automotive Gears,” Computational Materials Science, Vol. 62 Industrial Heating

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Aplicação de Perfil Ótico Através do Processo Dr. Steve Offley – PhoenixTM Ltd.; Reino Unido, Inglaterra Você sabe o que realmente acontece em seu forno? A aplicação de perfis ópticos em todo o processo o ajudará a entender completamente o que está acontecendo dentro do seu processo de tratamento térmico.

N

o mercado global de tratamento térmico industrial, dezenas de milhares de produtos são passados por fornos de esteira ou similares todos os dias. O processamento térmico desses produtos - seja tratando termicamente o material do núcleo ou mesmo curando um revestimento de superfície - é frequentemente crítico para a qualidade ou desempenho do produto acabado.

Quer seja a brasagem de alumínio de um radiador ou a cura de pintura na carroceria de um carro, é essencial atingir os tempos e temperaturas de processo corretos.

Aprender o que realmente está acontecendo com o produto dentro da caixa preta que é o seu forno é importante e molda o sucesso da sua operação e a satisfação do cliente.

Conforme discutido em um artigo anterior, [1] uma técnica essencial para compreender totalmente as características operacionais do processo de tratamento térmico é o perfil de temperatura do processo, onde o ambiente e a temperatura do produto são medidos continuamente conforme o produto viaja pelo processo. Essa técnica fornece o que é conhecido como “perfil de temperatura”, que é basicamente uma impressão digital térmica para aquele produto naquele processo específico.

Esta impressão digital térmica será única e permite a 34 OUT A DEZ 2020

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Fig. 1. Sistema de perfilamento de temperatura de processo completo que viaja através de um forno de tratamento térmico com esteira transportadora com medição da temperatura do produto e/ ou temperaturas do ar

compreensão, controle, otimização e validação do processo de tratamento térmico. Conforme mostrado na Fig. 2, um perfil de temperatura de um forno de brasagem contínua de alumínio (CAB - Continuous Aluminum Brazing) mostra as fases críticas detalhadas do processo de tratamento térmico, cada uma contribuindo para a qualidade do produto final.

Análise de Causa Raiz: Ajuda do Perfil do Processo O perfil de temperatura de qualquer processo térmico é inestiConstruir 392-1049˚C Até 81˚C / min Resfriamento Secagem <482˚C

Fluxo derretido Acima de 1049˚C

Derretimento de metal de enchimento 1071 a 1112˚C ± 18˚C

Fig. 2. O perfil de temperatura típico de um forno contínuo de brasagem de alumínio (CAB - Continuous Aluminum Brazing) mostrando as transições críticas de temperatura

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

3

3.1

3.2

3.1. Barreira térmica de alta temperatura para sistema de brasagem de alumínio com câmera e facho duplo

3. 2. Barreira térmica de baixa temperatura para aplicações de pintura automotiva com uma única câmera e facho

mável para obter uma melhor compreensão de como o forno está funcionando, e é uma ferramenta crítica para detectar falhas quando as coisas dão errado - porque dão e irão continuar dando!

A análise da causa raiz é uma ferramenta padrão usada na indústria para identificar a causa raiz dos problemas do produto ou processo sem tirar conclusões precipitadas ou ter reações instantâneas. Na análise de causa raiz, é importante distinguir entre sintomas e problemas e buscar encontrar, em meio a muitas causas potenciais, a verdadeira causa raiz.

Tomando um exemplo do processo CAB, o levantamento do perfil de temperatura pode mostrar que a causa de um problema de qualidade é devido à temperatura de brasagem do produto em uma zona específica do forno ser muito baixa.

Isso, embora identifique uma causa, não explica necessariamente a causa raiz.

Uma baixa temperatura do produto em uma zona específica do forno pode ser devida a muitas causas-raiz possíveis - termopar de controle defeituoso, queimador, recirculador ou até mesmo danos à estrutura / isolamento do forno. A baixa temperatura do produto pode, em algumas circunstâncias, não ser detectada pelos controles do forno e exigirá uma investigação mais profunda.

Identificar a causa raiz exigirá a inspeção da origem do problema. Essa ação é comumente referida como “ir ao Gem-

ba”, uma palavra japonesa que significa “o lugar real”. Nessa situação, ir ao Gemba significa investigar o que realmente está acontecendo no forno em uma zona específica no ponto de ocorrência.

Análise de causa raiz: Exemplo de CAB - Linha de Radiador Automotivo Sintoma: alto número de rejeições do radiador identificadas no controle de qualidade.

Problema: Má qualidade do produto devido a juntas de brasagem fracas.

Causa: A partir dos perfis de temperatura, a temperatura de brasagem do produto identificada como muito baixa na Zona 4.

Causa raiz: Falha do ventilador de recirculação na zona 4, o que resulta em transferência de calor não uniforme para os radiadores.

Ir para o Gemba nem sempre é a tarefa mais fácil, especialmente quando se considera a identificação da causa raiz dos problemas do forno. Qualquer tarefa que envolva a inspeção interna de um forno geralmente requer que o forno seja desligado, resfriado e desmontado para permitir o acesso dos operadores.

Tomando nosso exemplo de brasagem de alumínio (CAB), a inspeção interna do forno não é uma tarefa rápida Industrial Heating

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e fácil. Operando a 538°C, o período de resfriamento é significativo para permitir que os engenheiros tenham acesso seguro para inspeção e ação corretiva. Há um atraso adicional para que o forno volte a uma temperatura de operação estável. Essa ação de manutenção pode significar um ou dois dias de perda de produção dessa linha, o que é obviamente prejudicial à produtividade, cumprindo os cronogramas de produção, satisfazendo os principais clientes e seus resultados financeiros.

Além dos problemas de temperatura do processo, existem muitos outros problemas de produção que podem ser enfrentados relacionados à operação do forno e à transferência segura e confiável do produto através do forno ou do próprio forno. Um risco diário do processo CAB é o acúmulo de detritos de fluxo. Os materiais de fluxo usados para remover os óxidos da superfície do metal e permitir a brasagem bem-sucedida podem se acumular no vazio interno do forno. Esses materiais são mais problemáticos na extremidade posterior da seção da mufla do forno, onde - devido à queda na temperatura ao entrar na zona de resfriamento - os materiais se condensam. O acúmulo de fluxo pode criar muitos problemas de processo diferentes, incluindo: • Danos físicos à correia transportadora ou estrutura de suporte, o que requer substituição cara • Redução da lubrificação da correia, que cria movimentos bruscos e causa vibração indesejada do produto • Levantamento da malha da correia, o que cria uma

Perfil ótico - Novos Benefícios da Tecnologia “Indo para Gemba” • Instantâneo - Visualize o funcionamento interno de seu forno sem a necessidade de desmontá-lo ou interromper a produção • Novos entendimentos - Veja o processo real de tratamento térmico e as mudanças visuais no produto, possivelmente pela primeira vez.

• Condições de produção - Veja a operação do forno nas condições reais de produção, totalmente carregado.

• Economia de tempo - Sem demora para resfriar, desmontar e remontar como nos procedimentos normais de inspeção.

• Complementar - execute o perfil de vídeo simultaneamente com o perfil de temperatura para combinar informações térmicas e visuais para uma imagem completa do seu processo de tratamento térmico.

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transferência dePhoenixTM produtossendo e causa possível moviFig. 4. Sistema irregular de perfil ótico usado em um forno de esteiraexcessivo para brasagem de alumínioaglomeração ou choque mento do produto, • Redução na folga do forno interno, o que cria possíveis problemas de impacto e bloqueios do produto A inspeção regular programada e a limpeza do forno são necessárias para evitar esses problemas. Esta não é uma operação agradável e rápida e requer a remoção de fragmentos de fluxo com ferramentas pneumáticas. Frequentemente, exigindo um tempo de inatividade do forno de um a dois 4.1dias, essa tarefa só é realizada quando necessário.

Deixar a operação de limpeza por muito tempo pode ser catastrófico, no entanto, causando uma deterioração dramática na qualidade do produto ou risco de paradas no meio da produção.

Até agora, não havia uma maneira fácil de ver como o seu produto viaja pelo forno em condições normais de operação ou meios pelos quais a necessidade de reparo ou limpeza do forno pode ser confirmada. Uma nova tecnologia chamada perfil óptico muda tudo isso e, pela primeira vez, oferece a você os meios para ver o que seu produto vê na produção - uma verdadeira visão do produto!

Perfil Ótico O perfil ótico é uma técnica nova e complementar àquela do perfil de temperatura através do processo. A nova tecnologia permite que os engenheiros de processo ini4.2ciantes vejam o funcionamento interno do forno em condições normais de produção. Viajando através do forno com os produtos sendo processados, o sistema ótico dá uma visão do produto durante toda a jornada do tratamento térmico (Fig. 3).

Empregando tecnologia de proteção térmica semelhante à barreira térmica usada no perfil de temperatura, uma câmera de vídeo compacta e uma lanterna potente são usadas (no lugar do registrador de dados de temperatura) para gravar um vídeo do que um produto veria viajando 4.3 pelo forno. O princípio é como a câmera do painel do seu carro. A única diferença é que sua jornada está sendo realizada em um forno de até 538°C. O vídeo resultan4.1. Sistema de perfil ótico entrando em um forno de brasagem 4.2. Captura de tela de perfil de vídeo - saída da mufla mostrando forte acúmulo de fluxo 4.3. Captura de tela de perfil de vídeo - forno de brasagem a vácuo mostrando elemento de aquecimento infravermelho com defeito

te, “Optical Furnace Profile”, mostra aos engenheiros de processo muito sobre como seu processo está operando

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

sem a necessidade de parar, resfriar e desmontar o forno.

Isso permite uma inspeção de rotina segura do forno, sem os problemas de perda de produção dispendiosa e dias de paralisação do forno.

Benefícios da Aplicação do Princípio de Levantamento Ótico em Processos de Fornos de Esteira Transportadora Condição do forno • Verifique a condição das paredes internas do forno para garantir que sejam adequadas ao uso.

• Identifique painéis / lacunas de vedação / corrosão / locais danificados ou distorcidos.

• Acúmulo de sujeira / fluxo / condensado ou detritos gerais de processamento - risco de contaminação - identifica a necessidade de ação crítica de limpeza (Fig. 4.2).

• Ajuste correto do alinhamento dos dutos para permitir o fluxo de ar correto / transferência de calor por convecção.

• Identificar eventos de ignição ou outras questões relacionadas à segurança dentro do forno.

Transferência de Produto Verifique se o produto se desloca com segurança e suavidade pelo processo sem conflito ou obstrução.

• As esteiras transportadoras funcionam na horizontal e a orientação do produto é mantida constante - sem danos ou distorções na cinta.

• Nenhuma vibração do produto ou movimento excessivo, o que pode causar danos ao produto ou afetar uma etapa de processamento (por exemplo, brasagem).

• Verifique se o produto consegue passar sem colidir com o interior do forno ou aglomerar-se.

Resumo O levantamento ótico do processo é uma técnica nova e revolucionária para inspecionar visualmente a condição e a transferência do produto através de um forno contínuo.

Combinando essas informações com um perfil de temperatura do produto, os engenheiros de processo podem trabalhar com equipes de manutenção não apenas para entender, controlar, otimizar e validar o processo de tratamento térmico, mas também manter o forno para proteger a produtividade e a qualidade.

Empregando as informações do perfil óptico, a manutenção preventiva ou a limpeza do forno podem ser programadas com confiança. Quando ocorrem problemas, é possível encontrar rapidamente as falhas. A inspeção da temperatura do forno como parte do fluxo de produção elimina dias de paralisação do forno, perda de produção e interrupção da cadeia de abastecimento do produto.

Tradução gentilmente revisada por Eng. Ivan Siqueira, PhoenixTM Brasil Ltda.

Referências [1] Industrial Heating (edição americana de junho de 2019), “Through-process Temperature Profiling for Heat-Treat Efficiency”, Dr. Steve Offley, PhoenixTM Ltd.

PARA MAIS INFORMAÇÕES: Entre em contato com o Dr. Steve Offley, gerente de marketing de produto, Phoenix Temperature Measurements (PhoenixTM Ltd. U.K.); tel .: +44 (0) 1353 223100; e-mail: Steve.Offley@phoenixtm.com ; web: www.phoenixtm.com.

Condição e Operação dos Principais Recursos do Forno Verifique se os principais recursos do forno estão funcionando corretamente e não estão danificados. Isso inclui ventiladores, dutos, termopares de controle, tubos de alimentação de gás e cortinas / escovas de separação de zonas (Fig. 4.3).

Observação de Processo Térmico Verifique se o processo está sendo executado corretamente onde a ação do tratamento térmico é fisicamente visível.

Para brasagem, verifique o derretimento e o fluxo do metal de preenchimento. Para pintura, identifique visualmente as gotas e identifique sua origem.

Industrial Heating

OUT A DEZ 2020 37

MATERIAIS RESISTENTES TRATAMENTO TÉRMICO AO CALOR

Estudo da Influência da Ferrita Delta em Parafusos Tratados Termicamente na Resistência ao Torque Leandro José de Almeida , Fernando Suzumura Kawata, Rafael Neves de Almeida, Lucelio Siqueira – Meritor O processo de Fabricação do parafuso tem como fluxo após vergalhão trefilado na usina, a conformação mecânica em dois estágios, sendo cabeça e corpo, assim como a região da rosca sendo conformada por usinagem, o processo num todo também consiste na utilização do fosfato de manganês para auxiliar no processo de conformação, desde o processo de trefilação dos vergalhões na Usina até o processo de conformação final dos parafusos. Para que os parafusos consigam atingir a resistência necessária para suportar carregamentos de torção, impacto e tração se faz necessário o tratamento térmico de Tempera e Revenimento. Antes do parafuso entrar no forno de Tratamento Térmico é extremamente importante que ocorra a desfosfatização, para garantir que o Fósforo residual presente na superfície do parafuso não difunda para o interior da peça e forme uma fase rica em Fósforo, com baixa resistência denominada Ferrita Delta. Com esse trabalho poderemos concluir se realmente a fase Ferrita Delta reduz a vida em fadiga com análise da Curva S-N e reduz também a resistência ao torque. A fase Ferrita Delta não somente é caracterizada pela análise microscópica, como também no MEV via EDS com a comprovação do elemento Fósforo, com isso vamos expor o parafuso a concentrações diferentes de fosfato de manganês em um mesmo tempo de forno na tempera e também com tempos de forno na temperas distintos em uma mesma concentração de fosfato de manganês. Assim vamos entender qual a variável que mais difunde a Ferrita Delta e após essa constatação, estudar não somente a fragilização devido a fase Ferrita Delta, mais também a relação de percentual/profundidade de Difusão de Ferrita Delta X resistência ao Torque.

S

abemos que uma falha de componentes em veículos pode originar um risco potencial ao condutor sofrer um acidente, para o próprio condutor ou terceiros.

Parafusos para tal aplicação requer alta resistência quando utilizados em diferenciais de caminhões, e sofrem altas solicitações mecânicas, que se faz necessário processos de fabricação especialmente para obtenção de propriedades para que possam suportar esses esforços, aumentando sua resistência ao torque e a fadiga.

Históricos de falha de campo e linha mostram que o problema que tais parafusos apresentavam uma camada branca na superfície, camada com grande dureza e fragilidade. Analisando essa camada se concluiu que ela surgiu em função da presença residual de fósforo proveniente do processo de fosfatização de manganês, difundindo

38 JUL A SET 2020

Industrial Heating

no aço durante o tratamento térmico de tempera.

A fosfatização de manganês é necessário, pois serve de ancoradouro agindo como um lubrificantes e outros redutores de atrito, facilitando assim, o processo de conformação mecânica a frio de trefilação entre outros. Se expormos o parafuso no fosfato de manganês, haverá a formação da fase frágil conforme Cioto et al. (2008),

Fig. 1. Parafusos classe 12.9, objetos destas análises

responsável pela falha prematura do parafuso quando observada em campo ou em processo de linha de montagem.

Com o já dito, objetivo deste Artigo é mostrar o efeito prejudicial da Ferrita Delta quando em solicitação mecânica, mostrando sua influência quando relacionado ao limite de resistência ao Torque em função do percentual e/ou volume de Ferrita Delta.

TRATAMENTO TÉRMICO

Gráfico 1. Diagrama TTT do aço SAE 9254, fonte: Tarim e Peres (2004)

Gráfico 2. Esboço do processo de tempera e revenimento utilizado nesse trabalho para Difusão da Ferrita Delta

Fig. 2. Forno Tipo Mufla, com tanque de óleo para resfriamento

Fig. 3. Preparação do corpo de prova para análise Metalográfica

Referência Bibliográfica Durante o processo de conformação mecânica algumas variáveis são de extrema importância, podemos considerar o Ishikawa para entender essas variáveis, algumas estão ligadas ao processo, como lubrificação, assim como também àqueles relacionados ao

material como à qualidade da matéria prima, por exemplo, microestrutura do aço a ser conformado, propriedades mecânicas, etc. Se o material não estiver adequado a aplicação, isso pode levar a problemas como nucleação e propagação de trincas, redução de vida útil e fragilização no parafuso. Os

processos de trefilação de vergalhões, extrusão a frio, forjamento a frio, etc.

Estas operações que envolvem deformação a frio, em uma condição em que a transferência de calor e massa seja baixa, faz com que estas operações requerem uma boa lubrificação da superfície a ser deformada, sendo possível através da aplicação do fosfato na usina seguido da adição de sabão em processos de extrusão e trefilação.

Sabões de trefila são reativos de estearatos alcalinos transformam a camada de fosfato de zinco em um estearato de zinco de alto poder lubrificante que adere à superfície.

O fluxo de conformação mecânica consiste de forjamento a frio e laminação de rosca, o parafuso estudado é de classe de dureza superiores a 22HRC e portanto, necessitam de serem submetidos ao tratamento térmico de têmpera resfriada em óleo e revenimento ao ar, porém, quando exposto ao fosfato e se obtiver resíduos de fosfato, o material após tempera acarretará a formação da fase delta (ferrita delta, Fe3P ou fosfeto de ferro), como mostrado na figura X, caracterizada como uma camada branca.

Em temperatura próxima de 723°C e durante a austenitização, o fósforo residual presente na peça conformada pode difundir para o interior do metal, formando essa fase frágil rica em fósforo. Em processos de fabricação de parafusos, para evitar a formação da camada branca é recomendada a remoção do fosfato com um tratamento de desfosfatização (desengraxante alcalino) antes do tratamento térmico de têmpera, principalmente em atmosferas descontroladas.

A fase estudada rica em fósforo difundida na superfície dos parafusos, apresenta alta dureza, por volta 45 Industrial Heating

JUL A SET 2020 39

TRATAMENTO TÉRMICO

Fig. 4. Amostra 1 - 1 minuto de exposição

Fig. 5. Amostra 2 - 2 minutos de exposição

Fig. 6. Amostra 3 - 3 minutos de exposição

Fig. 7. Amostra 4 - 4 minutos de exposição

Fig. 8. Amoatra 5 - 5 minutos de exposição

HRC, com profundidades variadas, quanto mais resíduo maior a difusão e uniformidade da camada, reduzindo assim a resistência ao torque e a fadiga.

tempo de exposição do fosfato X percentual e/ou profundidade de difusão da Ferrita Delta. Temperamos as peças conforme Diagrama abaixo, porém, dentro do faixa de transformação de Ferrita Delta.

Para o processo de Tempera e Revenimento, utilizamos um forno tipo Mufla.

Materiais e Métodos Inicialmente utilizamos parafusos classe 12.9 na liga SAE 4140, onde fizemos a exposição dos mesmos em banho de fosfato em diferentes concentrações.

Tratamento Térmico A tempera do material foi realizada com resfriamento em óleo para analisar microscopicamente a relação do 40 JUL A SET 2020

Industrial Heating

Análises Microscópicas das Amostras de 1 a 6 minutos de Exposição em Banho de Fosfato de Manganês Para as análises metalográficas,

fizemos a preparação do corpo de prova com corte em cut of, seccionando o parafuso longitudinalmente, embutimento com termofixo baquelite em embutidora, desbaste em lixa #120, #400, #600, polimento em politriz com pasta de diamante e ataque químico com nital 2 a 5%.

Para caracterização da microestrutura, utilizamos um microscópio ótico Olympus, com objetiva de 50X e ocular 10X (500X).

Observado presença de Ferrita Delta uniforme e dispersa na Superfície do material, ataque nital 2%, estrutura Martensítica, aumento 500X (Fig. 4).

Observado presença de Ferrita Delta dispersa, porém de forma mais uniforme na Superfície do material, ataque nital 2%, estrutura Martensítica, aumento 500X (Fig. 5).

Observado presença de Ferrita Delta dispersa, porém de forma mais uniforme na Superfície do material, ataque nital 2%, estrutura Martensítica, aumento 500X (Fig. 6).

Observado presença de Ferrita Delta dispersa, porém de forma mais uniforme na Superfície do material, ataque nital 2%, estrutura Martensítica, aumento 500X (Fig. 7) Observado presença de Ferrita Delta dispersa, porém de forma mais uniforme na Superfície do material, ataque nital 2%, estrutura Martensítica, aumento 500X (Fig. 8).

Dureza encontrada nos testes, conforme Curva de Gauss (Gráfico 3, 4, 5, 6 e Fig. 9) Teste Mecânico Após expor os parafusos em tempos diferentes de fosfato de 1 a 6 minutos e tratar termicamente para a difusão da

TRATAMENTO TÉRMICO

Ferrita Delta, testamos o torque.

Análise de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Analisamos no MEV a camada de Ferrita Delta para comprovação da difusão do fosforo, mostrando que se trata realmente da Ferrita Delta e não de uma descarbonetação.

Gráfico 3. Dureza após tempera para amostras expostas em tempos diferentes no banho de fosfato de manganês

Conclusão Os teste iniciais mostraram que existe uma redução de resistência ao torque quando exposto a tempos de fosfato maiores, ou seja, quanto mais uniforme a camada difundida a resistência ao torque tende a cair.

A resistência quando comparado entre 1 e 5 minutos caiu 56%, mudando também a curva de escoamento.

Observamos também que existe um limite máximo de difusão do fosfato, acima de 5 minutos provavelmente a difusão se mantenha e a tendência seja a mesma na relação ao torque, se tornando um ponto de saturação da Ferrita Delta difundida no parafuso.

Gráfico. 4. 1 minuto de exposição no fosfato (condição de maior torque)

Sugestões para Trabalhos

Fig. 9. Teste de torque realizado juntamente com os componentes de fixação, para análise comparativa, (Cortesia Meritor) Industrial Heating

JUL A SET 2020 41

TRATAMENTO TÉRMICO

Gráfico. 5. 5 minutos de exposição no fosfato (condição de menor torque)

Fig. 10. Superfície com presença de Ferrita Delta

Fig. 18. Cristais de fosfato na superfície da peça e EDS para caracterização da presença de fósforo, Aumento 700x 1991. TARIN, P.; PEREZ, J. Stecal 3.0.

Materials Park: ASM International, 2004 Agradecimentos a Isac Ponciano, Técnico em Metalurgia. Metaltork, Cortesia dos Parafusos. Meritor, Dos testes e análises.

PARA MAIS INFORMAÇÕES: Contate Leandro Gráfico. 6. Gráfico comparativo, torque x tempo de fosfato, imagens microestrutural mostrando a relação do tempo de exposição ao fosfato com a uniformidade da camada de difusão da ferrita delta

Futuros: Para trabalhos futuros sugerimos fazer um comparativo, porém, indo mais a fundos nas propriedades mecânicas, avaliando também, o limite de resistência a tração e a vida em fadiga.

(Paper SAE 2008-36-0063E).

[3] FORSYTH, P.J.E. A Two stage process of fatigue crack growth. In: CRACK PROPAGATION SYMPOSIUM, 1961, Cranfield.

Proceedings… Cranfield: Cranfield College of Aeronautics, 1961. v.1, p.76-94.

[4] PANOSSIAN, Z. Fosfatização dos metais

Referências

ferrosos. São Paulo: ABM, 2007. p.50-

[1] CALLISTER, W.D. Materials science and

80.

engineering an introduction. 7thed. New

[5] COLPAERT, H.; COSTA, A.L.S. Metalo-

York: John Wiley, 2007. p.290-300.

grafia dos produtos siderúrgicos comuns.

[2] CIOTO, R.; COLLARES, A.R.; ZUFFO,

4.ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2008.

C.H. The Effect of delta ferrita on the fatigue behavior of high resistance threaded fastener. Warrendale: SAE, 2008.

42 JUL A SET 2020

Industrial Heating

p.409-416.

[6] SURESH, S. Fatigue of materials.

Cambridge: Cambridge University Press,

José de Almeida, Engenheiro Metalúrgico.

Fernando Suzumura Kawata, Supervisor Qualidade. Rafael Neves de Almeida, Tecnólogo em Metalurgia.

VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

Comparando o Isolamento de Manta de Grafite de Forno a Vácuo - PAN vs.

Rayon

Reàl J. Fradette and William R. Jones – Solar Manufacturing, Inc.; Souderton, Pensilvânia, EUA

A

maioria dos fornos a vácuo atualmente ativos no mundo do tratamento térmico incorporam alguma forma de, ou combinação de, isolamento de manta de grafite, com revestimento interno de folha ou placa na construção de zona quente do forno.

A manta de grafite usada em fornos de alta temperatura é à base de PAN ou de Rayon. O grafite PAN (poliacrilonitrila) é o mais usado, pois é aproximadamente 20% mais barato do que o isolamento à base de Rayon. A Solar Manufacturing conduziu recentemente testes de cada material para conservação de energia e desempenho do ciclo, a fim de determinar os benefícios de cada tipo de manta quando usado em fornos a vácuo. Este artigo apresenta nossas descobertas.

Performance Térmica Os testes foram realizados para avaliar a eficiência térmica relativa

dos dois materiais de manta de grafite usando um de nossos fornos de laboratório. Este forno vertical possui isolamento todo de grafite e uma zona quente utilizável medindo 30 cm de profundidade x 45 cm de altura.

Modificações foram feitas no forno, incluindo uma extensão superior, que

fornece espaço suficiente para variar a espessura da cobertura da zona quente superior. Isso também permitiu espaço suficiente para a colocação do termopar.

Duas tampas da câmara superior foram criadas, uma com quatro camadas de manta PAN de 1,27

Tabela 1. Efeito do tipo de manta na perda de calor para a parede fria do forno a vácuo Tipo de Manta

Manter 955˚C

Manter 1093˚C

Manter 1233˚C

Manta de grafite PAN

254˚C

301˚C

348˚C

Manta de grafite Rayon

235˚C

284˚C

324˚C

Melhoria térmica Rayon vs. PAN

6.93%

5.22%

6.52%

Fig. 1. Forno de laboratório modificado com extensão Industrial Heating

OUT A DEZ 2020 43

VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

Parede da câmara externa Parede da câmara interna

‘B’

‘A’

Transferência de aquecimento Elementos de aquecimento

Refrigeração a água Desenvolvimento de anel (aço inoxidável 304)

Face quente (0,090” grafite) Manta de grafite (4 camadas) Fig. 2. Superfícies de radiação em um forno a vácuo resfriado a água Tabela 2. Perdas de energia em temperaturas de manutenção Manta de grafite da zona quente

Perda a 955˚C

Perda a 1093˚C

Perda a 1233˚C

Grafite PAN

25.56 kW

37.85 kW

53.50 kW

Grafite Rayon

21.50 kW

33.06 kW

45.05 kW

Melhoria - Rayon sobre PAN (porcentagem)

15.88%

12.65%

15.79%

Tabela 3. Propriedades químicas e físicas de produtos de feltro para isolamento de forno a vácuo Propriedades

Manta de grafite PAN

Manta de grafite Rayon

Densidade aparente (g / cm3)

0.10

0.08

Conteúdo de carbono (%)

>99.5

>99.9

Conteúdo de cinzas (%)

0.05

<0.01

Temperatura do processo (˚C)

2400

2500

Tabela 4. . Medições de “α-case” (alpha-case) para o teste de contaminação por umidade Tipo de isolamento

Profundidade da alpha-case (polegada x 10-2)

Isolamento de manta PAN

.319

Isolamento de manta Rayon

.250

Zona quente totalmente metálica

.216

cm e outra com quatro camadas de manta Rayon de 1,27 cm. Um termopar foi acoplado a ambas as tampas em aço inoxidável da câmara, simulando a temperatura de irradiação no anel de suporte externo de um forno padrão (Fig. 2, ponto A).

A Tabela 1 mostra as temperaturas relativas registradas em cada uma das tampas de grafite quando mantidas em temperaturas elevadas. A tabela ilustra a eficiência térmica superior do Rayon em relação ao PAN em aproximadamente 6%. Nossos resultados representariam o 44 OUT A DEZ 2020

Industrial Heating

ponto A na Fig. 2 irradiando para o ponto B da parede da câmara.

Embora isso destaque uma melhoria na temperatura da superfície radiante em um pequeno arranjo de teste, a importância de diminuir a temperatura da superfície radiante A torna-se aparente ao usar um forno a vácuo de produção típico com um tamanho de zona quente de 92 cm de largura x 92 cm de altura x 122 cm de profundidade e aplicando dados da Lei de Stefan-Boltzmann para Radiação (Equação 1).

O segredo é que a temperatura da superfície radiante seja elevada à quarta potência. Pode-se calcular a perda de energia geral esperada em cada temperatura de retenção (Tabela 2) para comparar as perdas de energia para cada pacote de isolamento. Com base nos dados de teste, o pacote de isolamento Rayon é termicamente mais eficiente em termos de energia do que o PAN em aproximadamente 15%.

P = θσ A (T4 - Tc 4) [1] • P = potência irradiada líquida • θ = Emissividade da superfície radiante (usado 0,55 para SS) • σ = Constante de Stefan - 5,6703x10-8 watt / m2K4 • A = A área de superfície radiante • T = Temperatura da superfície radiante (graus Kelvin) do anel de suporte • Tc = temperatura da superfície circundante (graus Kelvin) da parede da câmara De acordo com esses dados, a manta Rayon também tem um desempenho muito melhor do que o PAN ao executar ciclos com longos patamares em temperaturas elevadas.

Desempenho do Ciclo A eficiência térmica é importante. No entanto, no processamento a vácuo, deve-se também considerar o efeito geral de um projeto de isolamento no tempo de ciclo e nos contaminantes residuais que podem afetar a pureza da peça. Se um projeto requer um bombeamento extensivo que estende os tempos de ciclo gerais, isso pode ser prejudicial ao custo de execução do processo.

Mais importante, se o projeto de isolamento libera gases residuais indesejados durante o processo de tratamento térmico, ele pode contaminar certos metais, resultando em contaminantes de superfície indesejados.

VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

3

1.OE-03

2.5 1.5

Vácuo nível (torr)

1.OE-04

1.OE-05

2 Nível de vácuo x 10-5

Vácuo nível (torr)

Pan felt Rayon felt

1

Pan Rayon Moly

0.5 0

200

400

600 800 100 Tempo (seg.)

1200

1400

0

5

15

25

35

45 55 Tempo (seg.)

65

75

85

Fig. 3. Teste de bombeamento de comparação

Fig. 4. Curva de desempenho de vácuo

Uma revisão das propriedades da manta de grafite PAN para a manta de grafite Rayon sugere que cada pacote de isolamento pode ter um impacto diferente no desempenho do bombeamento, devido às diferenças na densidade e no conteúdo de cinzas (Tabela 3).

Para testes de desempenho, fabricamos 10 peças de 34 cm de diâmetro de PAN e materiais de manta de Rayon.

Também substituímos a tampa padrão de outro forno de laboratório semelhante ao forno mostrado na Fig. 1 por uma configuração de 10 camadas de cada tipo de manta para simular a área de superfície efetiva da manta em um forno de produção maior. Antes do teste, todas as amostras de manta foram submetidas a um processo de cozimento em vácuo profundo até uma temperatura de 1315˚C e mantidas por uma hora. As amostras resfriadas no forno foram colocadas em sacos selados separados para minimizar quaisquer efeitos devido à umidade.

Os testes foram conduzidos em um forno com uma zona quente totalmente metálica usando a mesma peça de extensão, conforme mostrado na Fig. 1. A utilização de uma zona quente totalmente metálica para esses testes garantiu que qualquer contaminação e problemas de bombeamento fossem o resultado das peças de cobertura de teste de manta somente e não do uso de manta em um forno de laboratório padrão todo de grafite. Conforme mencionado anteriormente, cada pilha de tampas de 10 peças de PAN ou manta de grafite Rayon foi apoiada em uma placa de molibdênio. O seguinte ciclo de tratamento térmico a vácuo foi executado para cada teste.

1. Registre a temperatura ambiente, umidade e ponto de orvalho antes de iniciar o ciclo.

2. Bombeie o forno para atingir 5 x 10-5 Torr.

3. Rampa a 10˚C por hora para atingir 1232˚C.

4. Segure a 1232˚C por 30 minutos.

5. Resfriamento estático de nitrogênio a -5 polegadas HG a 54˚C. 6. Remova a tampa de isolamento e deixe-o em ar ambiente por 60 minutos.

7. Registre a temperatura ambiente, umidade e ponto de orvalho.

8. Coloque a tampa de grafite de volta no forno.

9. Bombeie para 1 x 10-5 Torr e registre o tempo de bombeamento.

10. Aterre e descarregue o forno.

Um registro completo do nível de vácuo alcançado e o tempo geral para atingir o vácuo registrado é mostrado na Fig. 3. Embora não seja aparente que as curvas no gráfico mostrem uma diferença significativa no tempo de bombeamento ao calcular a taxa de bombeamento, se encontra uma melhoria de aproximadamente 20% no desempenho do vácuo para Rayon em comparação com PAN. Teste Revisado de PAN/ Rayon Ao trabalhar com fornos a vácuo isolados com manta, a captação de umidade pode se tornar uma fonte importante de contaminação por oxigênio. Para fins de teste, cada pilha de manta foi deixada na atmosfera da fábrica por 1012 horas antes de ser colocada no forno. Conforme descrito abaixo, o ciclo do forno para cada pilha foi executado com uma peça de teste de titânio limpo incluída no forno.

Após cada execução, a análise da “α-case” (alpha-case) por meio de avaliação metalúrgica determinou o nível de contaminação da captação de umidade para o isolamento PAN e Rayon em comparação com uma zona quente totalmente metálica limpa.

Industrial Heating

OUT A DEZ 2020 45

VÁCUO & TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE

O ciclo do processo para esses testes foi o seguinte: 1. Registre a temperatura, umidade e ponto de orvalho antes de carregar o forno.

2. Adicione a extensão do forno.

3. Coloque a peça de teste de titânio no forno.

4. Coloque a tampa modificada com 10 camadas de PAN (ou Rayon).

5. Registre qual manta está em execução.

6. Feche o forno e inicie o ciclo.

7. Bombeie para 5 x 10-5 Torr antes de iniciar o aquecimento.

8. Aqueça a 15˚C / minuto a 955˚C e mantenha por uma hora.

9. Registre o desempenho de vácuo / temperatura ao longo do ciclo.

10. Encha com nitrogênio e resfrie o forno à temperatura de sua abertura.

11. Remova a tampa de grafite e a peça de teste de titânio, identificando-a como o teste PAN ou Rayon.

Quando comparados com a zona quente padrão totalmente metálica, os níveis de vácuo para cada pacote de isolamento (Fig. 4) mostram níveis de vácuo menos eficazes, indicando a presença de mais gás residual.

Devemos observar que a umidade e o ponto de orvalho eram consideravelmente mais altos na data do teste Rayon do que na data do teste PAN. Com este fato em evidência, o resultado na Fig. 4 indica que o isolamento PAN é muito mais sensível à captação de umidade do que a manta à base de Rayon.

As medições de “α-case” resultantes (Tabela 4) também apoiam esta conclusão, considerando que a amostra de titânio usada no teste de isolamento Rayon produziu um resultado de “α-case” semelhante à zona quente totalmente metálica, embora a pilha de manta Rayon sofreu umidade mais severa do que amostras de teste PAN. Vantagens / desvantagens de trabalhar com esses materiais de feltro Três coisas ficaram imediatamente evidentes ao trabalhar com a manta de grafite PAN. 1) O material desfiou ao ser cortado, deixando bordas irregulares.

2) O material estava muito sujo de manusear.

3) O material não tinha espessura uniforme, dificultando o empilhamento.

A manta de grafite Rayon era o oposto completo.

1) Era fácil de cortar no tamanho certo e não desfiava 46 OUT A DEZ 2020

Industrial Heating

nas bordas.

2) Era muito mais limpo de manusear.

3) Era muito mais liso e estava bem horizontal e empilhado.

Com base nisso, Rayon é a manta preferida do ponto de vista da fabricação.

Conclusões A Solar Manufacturing determinou que a manta Rayon será o isolamento selecionado em seus projetos de fornos futuros com base nas seguintes conclusões.

• A manta de grafite Rayon, quando usada corretamente, pode ser até 20-30% mais eficiente em termos de energia quando comparada à manta de grafite PAN. Esta pode ser uma vantagem definitiva para os fornos com ciclos de processo que requerem longos períodos de espera em temperaturas elevadas.

• A manta de grafite PAN tem mais conteúdo de cinzas do que a manta Rayon, o que pode afetar os resultados da superfície do produto.

• A manta de grafite Rayon demonstrou características de liberação de gás mais baixas do que a manta PAN, resultando em níveis de vácuo melhores e mais rápidos.

• A manta de grafite PAN teve um efeito mais drástico em uma amostra de titânio em relação à formação indesejada de “α-case” do que a processada com a manta de grafite Rayon.

• A manta de grafite Rayon tem um preço aproximadamente 20% mais alto do que a manta de grafite PAN, portanto, a economia é uma consideração em um projeto de zona quente de forno a vácuo.

• A Solar Manufacturing padronizou a manta Rayon para menor consumo de energia e melhor desempenho de vácuo.

Citações Disponíveis Online PARA MAIS INFORMAÇÕES: Contate Reàl J. Fradette, consultor técnico sênior, Solar Manufacturing, Inc., 1969 Clearview Rd., Souderton, PA 18964, EUA; tel: +1-267-384-5040; real@solaratm. com; web: www.solaratm.com.

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A Chave para Estender a Vida Útil de um Revestimento Refratário Roger M. Smith – Plibrico Company, LLC; Northbrook, Ill., EUA O equilíbrio das propriedades refratárias em fornos de alumínio pode maximizar a vida útil.

U

ma preocupação significativa ao fabricar alumínio metálico é a vida útil prática do forno. A vida útil é amplamente impulsionada pela capacidade do revestimento refratário de resistir às várias condições operacionais dentro do forno, tais como alta temperatura, variação de temperatura, corrosão química e abrasão mecânica. Idealmente, uma composição refratária única seria capaz de suportar todas essas condições e prontamente disponível a um preço baixo. Infelizmente, este é raramente o caso.

A seleção adequada de refratários geralmente consiste em encontrar o melhor equilíbrio entre preço, propriedades e desempenho para uma determinada aplicação e condições operacionais. Um refratário capaz de alta resistência e resistência à abrasão é frequentemente suscetível a rachaduras causadas por variações extremas de temperatura, que são comumente chamadas de choque térmico. No entanto, um material capaz de suportar choque térmico sem rachaduras catastróficas pode ser vulnerável à corrosão

química. Encontrar o melhor equilíbrio das propriedades do material para cada zona em um determinado forno é importante para maximizar a vida útil de um forno.

Refratário sob Ataque - Requisitos para Fusão de Alumínio O revestimento refratário em um for-

no de alumínio (Fig. 1) deve ser capaz de suportar várias reações químicas que ocorrem enquanto o forno está em operação. Existem três regiões distintas a serem consideradas: acima, abaixo e na linha de fusão. Acima da linha de fusão, o refratário deve resistir ao ataque de vários vapores alcalinos. Os vapores alcalinos podem ser produzi-

Porta / batente

Isolamento de reserva

Superestrutura Parede lateral Soleira / poço Subsoleira Fig. 1. Esquemático do forno de fusão de alumínio Industrial Heating

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Maior que 90˚

Molhando

Menor que 90˚

Não molhar Fig. 2. Umedecimento versus não umedecimento

dos a partir do fundente usado no alumínio e dos produtos de combustão usados para aquecer o forno. Abaixo da linha de fusão, o refratário deve resistir ao alumínio fundido. Na linha de fusão, a região comumente referida como área da barriga, há um ponto triplo onde o refratário, a atmosfera e o alumínio interagem.

O refratário abaixo da linha de derretimento entra em contato direto com o alumínio líquido quando o forno está em operação. Este contato pode criar uma zona de reação química onde os óxidos na superfície do refratário podem ser reduzidos, como a sílica (SiO2) reduzindo para formar silício. Por outro lado, o alumínio pode penetrar no revestimento refratário através das mesmas reações redox ou através da infiltração devido às forças capilares.

O alumínio forma corindo (Al 2O3) quando se oxida.

Isso resulta em uma mudança na estrutura do cristal de cúbica de face centrada para hexagonal, o que causa uma expansão de volume significativa. Quando o corindo é formado dentro do revestimento refratário, a mudança no volume cria rachaduras, que levam a mais infiltração e mais rachaduras até que o revestimento refratário finalmente falhe.

Umedecendo o Refratário Um método para reduzir a zona de reação é evitar que o alumínio “molhe” o refratário (Fig. 2). A capacidade de um líquido de “molhar” uma superfície é definida pelo ângulo de contato do líquido. Quando o ângulo de contato entre o líquido e a superfície é maior que 90 graus, diz-se que o líquido molha a superfície. Quando o ângulo de contato é inferior a 90 graus, o líquido não molha a superfície. Um líquido que não molha a superfície é análogo a gotas de 48 ABR A JUN 2020

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água em um carro que foi encerado recentemente. Quando o alumínio não molha um refratário, ele não é capaz de reagir com o refratário e não é capaz de penetrar no revestimento.

Vários aditivos podem ser usados para reduzir a tendência do alumínio de molhar um refratário. Alguns dos aditivos mais comumente usados incluem bário, boro ou flúor. Eles modificam a química da superfície do refratário e reduzem a capacidade do alumínio de reagir e penetrar.

O uso de aditivos como esses aumenta muito a vida útil efetiva de um revestimento refratário.

Embora os aditivos não umectantes possam ser benéficos para estender a vida útil em áreas onde há contato com alumínio fundido, não há benefícios quando não estão em contato com o alumínio. Eles não protegem contra ataques de álcali acima da linha de fusão. Eles não aumentam a resistência à abrasão do material. Eles não melhoram a resistência ao choque térmico do material. Além disso, esses aditivos são voláteis. Quando expostos a temperaturas acima de 927°C, eles começam a perder sua eficácia, pois reagem quimicamente com outros materiais no refratário e mudam. Os aditivos também podem ser caros, o que eleva o preço do refratário em relação a outro com a mesma composição, mas sem o aditivo.

A presença de aditivos não umectantes pode ter alguns efeitos negativos em um refratário. Testes demonstraram que a adição de 1% de um aditivo de fluoreto em um concreto convencional pode reduzir o módulo de ruptura a quente (HMOR - Hot Modulus Of Rupture) em até 30% a 1093°C. O efeito pode ser ainda mais significativo em um concreto com baixo teor de cimento. A perda de resistência a quente é provavelmente atribuída à formação de uma fase vítrea induzida pelo aditivo. O flúor e o boro são ambos formadores de vidro bem conhecidos e formarão uma fase vítrea nos limites dos grãos em altas temperaturas, o que reduz a força de ligação entre os grãos individuais e a força geral do material a granel.

Balanceamento de Propriedades Refratárias As vantagens e desvantagens de um material refratário devem ser consideradas ao selecionar materiais para um forno de alumínio. Todas as paredes laterais de um forno entram em contato direto com o alumínio fundido. As paredes laterais superiores devem ser raspadas para remover o alumínio que salpica para evitar o crescimento de corindo.

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forno específico devem ser consideradas e o equilíbrio das propriedades deve ser ajustado caso a caso. Os principais modos de falha devem ser identificados e os materiais devem ser ajustados de acordo.

O refratário selecionado para suas paredes laterais deve ser resistente à abrasão para proteger contra a raspagem mecânica e não umedecimento para proteger do crescimento de corindo. A soleira e o poço são submersos em alumínio, mas não apresentam o mesmo nível de abrasão que as paredes laterais. A sub-soleira pode ver algum alumínio fundido, mas também deve fornecer suporte, portanto, um refratário forte e não umectante deve ser usado.

A porta e o batente sofrerão flutuações de temperatura toda vez que a porta for aberta e serão expostos à abrasão quando o forno for carregado. Materiais que são resistentes a choque térmico e abrasão devem ser selecionados. O teto e a superestrutura precisam ser fortes e resistentes aos vapores alcalinos. O isolamento de backup deve ser selecionado para reduzir a perda de calor, mas deve ser de uma composição que tenha resistência moderada ao alumínio fundido no caso de falha do refratário na face quente.

Em todas essas zonas, as condições de operação do

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A Chave para a Seleção de Refratários As condições de operação em um forno de alumínio requerem um revestimento refratário com diferentes benefícios em diferentes zonas. Na porta do forno, o refratário pode sofrer flutuações drásticas de temperatura que podem causar trincas. As paredes laterais superiores desenvolverão incrustações que precisam ser raspadas, de modo que o refratário precisa ser resistente à abrasão. As paredes laterais inferiores entram em contato direto com o alumínio fundido e precisam resistir aos ataques químicos e à penetração do alumínio para evitar o crescimento do corindo.

Encontrar um refratário com boa relação custo-benefício que possa atender a todos esses requisitos é muito difícil, mas pode ser feito com pesquisa suficiente. A seleção cuidadosa do material que considera as necessidades e condições operacionais de um determinado forno é importante para maximizar a vida útil de um revestimento refratário.

PARA MAIS INFORMAÇÕES: sobre como estender a vida útil de um revestimento refratário, entre em contato com a Plibrico Company, LLC 1935 Techny Rd. - Unidade 16, Northbrook, IL 60062, EUA. Tel: +1 312-337-9000; e-mail: contact@plibrico.com; web: www. plibrico.com.

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