Industrial Heating - setembro 2021

BRASIL

Abr a Jun 2019 The International Journal Of Thermal Processing

SETEMBRO 2021

Escolhendo Material Adequado para Tubos de Mufla

ÍNDICE

20

25 Ferramenta para Otimizar Formulações em Pó Metálico 30 Beneficios dos Sistemas Modulares de Aquecimento por Indução 36 Formação de Carboneto Durante o Processo LPC

Fornos Industrial Heating: Uma História de Sucesso!

14

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

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO

Industrial Heating

OUT A DEZ 2020 15

Na Capa: Escolhendo Material Adequado para Tubos de Mufla Confira na página 20

30 25

36

CONTEÚDO

NOVEMBRO 2021 - NÚMERO 52

ARTIGOS 20

Foto de capa: Cortesia de Andrew Prichard – Diretor de Operações, Central Wire Industries UK Ltd – Inglaterra

Materiais resistentes ao calor

Aproveitando ao Máximo a Seleção do Tubo de Mufla Alessandra Spaghetti – Sandvik Materials Technology, Sandviken, Suécia

Os fornos de mufla são frequentemente usados em trefiladoras para recozimento e para a produção de lâminas de barbear e tubos Bundy.

25

Cerâmica e refratários / isolantes

Melhores Formulações Refratárias por Meio de Descoberta Científica Acelerada Dr. Tina Kaarsberg

Uma ferramenta para otimizar as formulações de pó para fabricação de aditivos de metal diminuirá muito o tempo para o desenvolvimento de novas ligas e oferecerá desempenho superior a um custo mais baixo para aplicações industriais personalizadas.

30

Tratamento térmico por indução

Benefícios dos Sistemas Modulares de Aquecimento por Indução Mario Metodiev – Ultraflex Power Technologies; Ronkonkoma, N.Y.

Este artigo apresenta os benefícios dos conversores de frequência escalonáveis e configuráveis.

36

Controle de Processo & Instrumentação

Desafios Críticos de Tratamento Térmico Resolvidos com Modelamento Computacional Prático – Parte IV 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.

Industrial Heating

SETEMBRO 2021 3

BRASIL

14

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 Mariana Rodrigues Redação - Diagramação, marianar205@gmail.com • (19) 3288-0437 André Júnior Vendas, andre@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437

DEPARTAMENTOS

16

04 Índice de Anunciantes 14 Informe publicitário 16 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 Erik Klingerman Group Publisher, klingermane@bnpmedia.com • +1 440-292-7580 EDIÇÃO E PRODUÇÃO NOS EUA

ÍNDICE DE ANUNCIANTES Empresa

Pág.

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Kathy Pisano Diretora de Publicidade, kathy@industrialheating.com +1 412-306-4357 Fax: +1 412-531-3375

Portal Aquecimento Industrial

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TAV Vacuum Furnaces

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

DIRETORES CORPORATIVOS Rita M. Foumia Recursos Humanos e T.I Michael T. Powell Criação Lisa L. Paulus Finanças Scott Wolters Eventos Vincent M. Miconi Produção Beth A. Surowiec Pesquisa de Mercado As opiniões expressadas em artigos, colunas ou pelos entrevistados são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente a opinião dos editores.

4 SETEMBRO 2021

Industrial Heating

16 CONTEÚDO

07 JUNHO 2021 - NÚMERO 51

COLUNAS 06 Editorial Brasil

Eventos Presenciais – Calendário 2022 É sabido que também realizamos

eventos técnicos através do Grupo Aprenda. Iniciamos há quase 10 anos nesta atividade e já organizamos algumas dezenas de seminários Brasil afora.

08 Combustão

Queimadores Tipo Duto

Dando continuidade nesta coluna ao tema deste ano, serão tratados agora os queimadores tipo duto.

10 Pesquisa e Desenvolvimento

Materiais Renováveis: A Nova Onda! Caros leitores, gostaria

de compartilhar com vocês uma nova onda global que “desembarcou” em nosso meio com muita força e já

com regras e missão para execução; trata-se de itens dos

conceitos do ESG (meio ambiente, social e governança), mas que foca materiais renováveis.

12 Simulação Computacional

Trincas e Vazios no Tratamento Térmico Não é incomum a ocorrência de

fraturas durante o tratamento térmico de peças forjadas.

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SETEMBRO 2021 5

EDITORIAL BRASIL

Eventos Presenciais – Calendário 2022

É

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

6 SETEMBRO 2021

sabido que também realizamos eventos técnicos através do Grupo Aprenda. Iniciamos há quase 10 anos nesta atividade e já organizamos algumas dezenas de seminários Brasil afora. Logicamente a pandemia trouxe um freio para os eventos presenciais, que foram substituídos por transmissões online nestes quase dois últimos anos. Obviamente não com o mesmo resultado. Por mais que atenda os objetivos imediatos, da difusão do conhecimento técnico, na prática o modelo presencial supera demais o resultado final do evento quando comparado com o modelo online. Em todos os aspectos.

Olhando para o futuro próximo, vamos voltar à carga. Mas apostando no modelo presencial. Ainda com muito cuidado estamos preparando o calendário 2022 do Grupo Aprenda. Que já teria que “estar no ar” desde agosto deste ano. Mas convenhamos, não estamos em uma época normal.

Qualquer nova mutação do Corona vírus faz com que eventos ainda sejam cancelados em cima da hora. Como foi o caso de feiras na Alemanha canceladas no dia de sua abertura, com centenas, sim centenas, de expositores com seus stands totalmente montados.

Planejamento? Que planejamento?

Tive a grata satisfação de participar nos últimos dias do BGC 2021, Brazilian Gear Conference. Dedicado ao mundo das engrenagens, o evento é uma das iniciativas da parceria entre o CCM-ITA e o WZL da Universidade RWTH Aachen (Alemanha).

Realizado no Parque Tecnológico de São José dos Campos, o ciclo de palestras foi um magistral exemplo de evento presencial de envergadura pós pandemia. Com cerca de 300 pessoas circulando entre auditório (capacidade de 1000 assentos), stands de expositores, área de coffee break e restau-

Industrial Heating

rante, o BGC 21 foi um marco de organização e resultado prático elogiável nesta época difícil.

Como dito acima, estamos preparando nosso planejamento de eventos para 2022. Com muito cuidado e carinho. Logo estaremos divulgando as novidades, que são muitas.

Nessa edição, além das já tradicionais colaborações técnicas de nossos colunistas, publicamos os seguintes artigos: Melhores Formulações Refratárias por Meio de Descoberta Científica Acelerada, Dr. Tina Kaarsberg A autora apresenta uma ferramenta para otimizar as formulações de pó para fabricação de aditivos de metal que deve diminuir muito o tempo para o desenvolvimento de novas ligas e oferecer desempenho superior a um custo mais baixo para aplicações industriais personalizadas.

Desafio Críticos de Tratamento Térmico Resolvidos com Modelamento Computacional Prático, Parte IV, J. Sims, T. YU, Z. Charlie Li e B. L. Ferguson (DANTE Solutions Inc., EUA) e tradução de Amanda Pereira Silva (SIXPRO Virtual&Practical Process, Brasil) - A formação de carboneto durante o processo LPC. Esta é a quarta e última parte de um artigo, examinando a modelagem de tratamentos térmicos. Neste artigo é apresentado um caso de estudo envolvendo o processo de cementação à baixa pressão (LPC) e a formação de carbonetos.

Aproveitando ao Máximo a Seleção do Tubo de Mufla, Alessandra Spaghetti. Os tubos de muf la usados dentro de muf la em fornos de recozimento pós trefila protegem o produto durante o tratamento térmico e criam condições para uma distribuição mais uniforme da temperatura.

Na maioria dos casos, um gás de proteção como hidrogênio, nitrogênio, amônia

EDITORIAL BRASIL ou endogás é alimentado no tubo da muf la. Alguns desses gases podem ser corrosivos e encurtarão significativamente a vida útil dos tubos. Além disso, a temperatura geralmente é de 800-1120°C nos fornos de recozimento, o que também pode reduzir a vida útil dos tubos de muf la. Usar um material de alta qualidade para os tubos pode estender a vida útil, reduzir os custos de manutenção e gerar economias econômicas significativas.

Benefícios dos Sistemas Modulares de Aquecimento por Indução, Mario Metodiev. As fontes de energia para o

aquecimento por indução são conversores de frequência que operam a partir da rede elétrica convertendo-a em uma saída monofásica em frequência mais alta e adequada ao processo selecionado. Este artigo apresenta os benefícios dos conversores de frequência escalonáveis e configuráveis. Tradução gentilmente oferecida por José Carlos Zerbini da Synergetica Consultoria em Sistemas e Processos.

Boa leitura!

Bem Vindos ao Laboratório do Futuro

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Intelligent Testing Industrial Heating

SETEMBRO 2021 7

COMBUSTÃO

Queimadores Tipo Duto

D

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.

ando continuidade nesta coluna ao tema deste ano, serão tratados agora os queimadores tipo duto.

Este tipo de queimador tem por objetivo principal o aquecimento de fluidos gasosos que circulam através de dutos, geralmente ar ou misturas gasosas onde predominam ar para processos de cura, secagem e até mesmo para incrementar e/ou estabilizar temperatura em sistemas de recuperação de calor.

Estes queimadores singulares são geralmente fabricados em módulos prismáticos, permitindo assim a montagem de configurações que se ajustem à geometria do duto e/ou proporcionem a potência necessária demandada pelo processo. O aquecimento se faz por contato da chama direta, onde o calor liberado aquece o fluido gasoso que flui através do duto. Este tipo de queimador apresenta ampla faixa de variação de potências (turndown ratio) de 1:10 até 1:30, dependendo do fabricante, com boa qualidade de chama.

Figura 1. Tipos de queimadores de duto. Ref.: CÖRNER (2013) 8 SETEMBRO 2021

Industrial Heating

Mas alguns cuidados devem ser tomados, de forma que a chama não receba um excesso de ar tão elevado a ponto de “congelar” a chama, quer dizer, baixar rapidamente a temperatura da chama a ponto de parar a reação da combustão. Esta temperatura é denominada “temperatura mínima de autoignição”. Por esta razão existem as placas defletoras perfuradas, cujos furos admitem apenas o ar necessário para a combustão com um nível adequado de excesso de ar, desviando o fluxo restante para se misturar com os produtos da combustão a jusante do queimador.

Estes queimadores se adaptam muito bem ao reaquecimento de efluentes de turbinas em processos de geração de energia elétrica de ciclo combinado (ciclo Brayton) para incrementar a recuperação de calor e, consequentemente, a potência da turbina a vapor (ciclo Rankine). Outra oportunidade para o queimador de duto é complementação e/ou estabilização do fluxo térmico no caso de

COMBUSTÃO cogeração de calor para outro processo.

Existem basicamente dois tipos de queimadores de duto (Figura 1): • Queimadores onde o ar de combustão é fornecido pelo próprio fluxo de ar do duto, através de uma série de orifícios na superfície prismática. Mas isto exige que o fluido que trafega no duto seja o ar, ainda que um pouco diluído, onde o teor de oxigênio não seja inferior a 18 – 19%, e que a velocidade do ar seja suficiente para atender à potência do queimador em todas as situações operacionais.

Algumas vezes torna-se necessário reduzir a seção do duto para aumentar a velocidade do ar de forma a alimentar o queimador, mas deve-se verificar se a perda de carga desta restrição não irá comprometer a vazão do fluido.

• E queimadores onde o ar de combustão é fornecido por uma ventoinha externa, através de um plenum de insuflamento, tornando o queimador independente da necessidade de captação do oxigênio no fluxo do duto.

Dependendo da densidade de potência que seja instalada numa determinada seção do duto, pode ser necessário

aumentar a seção do duto para a instalação dos módulos do queimador de forma a não gerar perda de carga excessiva no fluxo.

Ambos os tipos de queimadores de duto apresentam uma elevadíssima eficiência, pois praticamente todo o calor liberado pela chama é transferido para o fluido em aquecimento, rendimento esse comparável a resistências elétricas instaladas diretamente no trajeto do fluxo.

Esses queimadores apenas não devem ser aplicados quando no fluido em aquecimento houver a presença de frações combustíveis e de oxigênio que possam formar misturas no campo de inflamabilidade ou em suas proximidades, considerando todas as condições operacionais e emergenciais.

Referências bibliográficas CÖRNER, F.C.; Gases combustíveis como alternativas à eletrotermia em aquecimento direto e calor de processo no setor industrial brasileiro, tese de doutorado, IEE – USP, 2013.

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Industrial Heating

SETEMBRO 2021 9

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO

Materiais Renováveis: A Nova Onda!

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.

10 SETEMBRO 2021

aros leitores,gostaria de compartilhar com vocês uma nova onda global que “desembarcou” em nosso meio com muita força e já com regras e missão para execução; trata-se de itens dos conceitos do ESG (meio ambiente, social e governança), mas que foca materiais renováveis. Meu objetivo aqui é tratar do setor automotivo, o qual é um forte braço da indústria e consumidor de materiais e também um vilão na geração de resíduos para o meio ambiente. Primeiramente, cabe citar uma grande indignação: é fato que, quando estamos nas estradas brasileiras ou até dentro de cidades assistimos uma grande quantidade de veículos sucateados nos mais diversos pátios, sejam da Polícia Rodoviária ou de grandes estoques de carcaças de veículos imprestáveis; imagina-se a grande quantidade de materiais expostos ao tempo e envelhecendo com estes veículos e não retornando para a sociedade através de uma economia circular.

Não é o foco principal desta coluna discutir as políticas públicas para esta situação brasileira, mas sim lembrar que ela terá um impacto muito grande em um futuro de curto e médio prazo para nosso País.

O setor da mobilidade tem se mobilizado fortemente para criar um plano de utilização de materiais renováveis e atender a demanda global para melhoria climática. Parte de uma suposta tranqüilidade brasileira está no consenso que nós já temos uma situação bem melhor do que a comunidade global, isto é, a nossa matriz energética é mais limpa, sendo baseada na geração de energia elétrica por hidraulica, pelo uso do etanol como combustível veicular e também no bicombustível de diversas naturezas. Exemplos importantes são do alumínio, que já se pratica fortemente a sua reciclagem e também, na fabricação do

Industrial Heating

“alumínio primário” através da energia limpa; no caso do setor de aços longos, os mesmos utilizam, na maioria das vezes, a rota siderúrgica pela aplicação do carvão vegetal e emprego de grandes quantidades de sucatas na matriz de geração do “aço primário”; mas as vantagens não vão mais longe disto, temos grandes impactos climáticos em outros materiais que ainda são provenientes do petróleo e que usam o carvão coque como o combustível essencial na formação do gusa, como no exemplo da rota dos aços planos e nas resinas poliméricas no setor petroquímico.

A reciclabilidade é um campo tecnológico fértil que tem avançado muito no setor veicular, mas a princípio ela tem boas vantagens para o alumínio e menos para outros materiais como o aço e plásticos na sua operacionalidade, no caso de pneus, ainda é uma grande preocupação diante da montanha de descarte que encontramos em todos os pontos que olhamos em nossa volta, sejam em ruas ou depósitos e outros.

Ao mesmo tempo em que estamos partindo para um universo de eletrificação dos veículos e com a introdução de novos materiais, a utilização de materiais renováveis não ficou de fora desta corrida; as grandes empresas já estão acenando para uma missão a ser perseguida e com data já definida para a próxima década, com targets de até 50 % de materiais renováveis no veículo neste primeiro momento (1). Fica claro neste contexto que a redução da emissão de CO2 é um ponto principal para se atacar, porém a utilização de recursos de nosso planeta precisa ser reduzida através da maior utilização destes materiais renováveis, isto é, o que vem de dentro do planeta deve ser menos utilizado, e o que já está fora da terra precisa recircular no seu contexto de produto.

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO Até este ponto, entendo que os leitores ainda não entenderam a gravidade desta discussão e, portanto, vou ser mais direto ao ponto em mostrar o tamanho e complexidade desta missão para o nosso País ou nossa querida Terra. De partida, cito que muitas empresas que fecharão as portas ou se tornarão menos competitivas e outras já nascerão com este espírito ambiental, mas com a ajuda necessária para crescer e se manter forte no segmento. Este é um ponto relevante, porque, sabe-se que a utilização de materiais renováveis pode encarecer o produto, mas não é esta a conta que deve prevalecer na avaliação das empresas do setor e sim a regra de atender a obrigatoriedade da missão que está sendo estabelecida e continuar como um fornecedor de produtos para o setor automotivo. Olhando por outro lado operacional, descrevo que os engenheiros de produtos automotivos passarão a desenhar suas peças pensando nesta missão de quantidade mínima de materiais renováveis, os compradores procurarão apenas os fornecedores que atenderem este target e os fornecedores apenas serão recebidos se tiverem um “ Renovable Materials Certification” satisfatório de materiais renováveis na sua conjuntura de produto e atendendo a missão de seus compradores da mobilidade. Este efeito dominó vai se estender aos Tiers 2, 3 e até às usinas e beneficiadoras.

Indo mais ao fundo na discussão dos fornecedores de peças, sabe-se que a construção do custo final do produto leva em conta a parcela de utilização de materiais reciclados, mas a princípio estes valores não são informados corretamente e muitas vezes nem são mostrados, pelo fato de abrir uma discussão comercial de custo que pode impactar na perda de receita dos fornecedores, isto é, trata-se de um tema confidencial que esconde o valor real de construção de custo da peça.

Citei anteriormente que o produto pode ser encarecido pelo uso de materiais renováveis, quando considerados o desmanche de com-

ponentes e veículos ou novas rotas limpas de fabricação e recirculação e outras como, por exemplo, a aplicação do hidrogênio no processo de redução do minério de ferro, porém têm casos que ocorre o inverso, como no exemplo de materiais metálicos fundidos e algumas resinas para peças plásticas em fornecedores Tiers 1.

Finalmente, estamos entrando historicamente em um novo momento automotivo que se classificará de várias formas: práticas politicamente corretas, sustentáveis, verdes e amigáveis ao meio ambiente, mas não esqueçamos do fator competitivo que estará por trás e será muito bem explorado pelo Green NCAP (2), da mesma forma que se qualifica a segurança veicular em número de estrelas, neste caso será o “Cars’ Environmental Performance”, ou seja, o desempenho ambiental dos carros, e certamente obter as 5 estrelas será a meta das montadoras para se manter seus negócios “sustentáveis”.

Importante saber que, a necessidade de uso de maior quantidade de materiais renováveis ou as novas rotas para sua criação será um setor que vai requerer muito desenvolvimento e pesquisas, por isto, caros leitores, estamos presenciando uma nova situação que pode gerar muito recursos, estratégias e oportunidades, fiquem atentos. Muito obrigado e até a próxima coluna IH.

Referências bibliográficas (1) https://www.gmsustainability.com/material-topics/designing-for-the-environment/sustainable-materials.html (2) https://www.greenncap.com/how-to-read-thestars/

Industrial Heating SETEMBRO2021 11

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

Trincas e Vazios no Tratamento Térmico

N 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.

ão é incomum a ocorrência de fraturas durante o tratamento térmico de peças forjadas. Esses defeitos podem, em muitos casos, serem correlacionados com as magnitudes e as caraterísticas, se compressivas ou trativas, das tensões principais atuantes no componente. Inclusive, a combinação dessas tensões principais deve ter especial atenção.

Consideremos um caso simplificado, como na Fig. 1 por exemplo, na qual apresenta-se uma peça em estado plano de deformações (não há deformação na direção normal ao plano de leitura). Observa-se que, caso as tensões principais mostradas sejam todas iguais, a peça não sofrerá deformação. Isso ocorre porque a tensão efetiva, ou equivalente, seria nula. No entanto, caso essas tensões sejam consideravelmente trativas, então tem-se que a média dessas tensões seria altamente trativa, podendo gerar fraturas no componente.

Em suma, o componente não se deformaria, mas sim trincaria ou abriria um defeito pré-existente.

Figura 1. Possíveis influências de tensões principais trativas [Coutinho et al., Sim. Num. T.T. Eixo Forj. 40º SENAFOR, 2021].

12 SETEMBRO 2021

Industrial Heating

Para exemplificar esse fenômeno, apresenta-se na Fig.2 a simulação dos tratamentos térmicos de têmpera e de revenimento em um eixo forjado. Todas as informações do material necessárias para a simulação foram geradas via JMatPro® e a simulação do processo foi feito pelo Método dos Elementos Finitos utilizando o software QForm. Observa-se na Fig. 2 (a) o perfil de temperatura no centro do eixo, região na qual se apresentou o defeito. Notadamente, trata-se de uma peça relativamente grande, na qual o centro possui uma queda lenta da temperatura. Além disso, a transformação de fase nessa região ocorre durante o revenimento. No entanto, o fato mais relevante é mostrado na Fig. 2 (b), na qual a tensão média se mostra consideravelmente positiva, enquanto a tensão efetiva é relativamente baixa, evidenciando uma condição propícia a abertura de trincas e vazios internos.

Figura 2. Simulação via QForm de uma peça forjada avaliando a região de fratura durante a têmpera e o início do revenimento: (a) temperatura e (b) tensões média e efetiva [Coutinho et al., Sim. Num. T.T. Eixo Forj. 40º SENAFOR, 2021].

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 n o Brasil e no mundo.

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Indústria & Negócios

Novidades

INFORME PUBLICITÁRIO

Fornos Industrial Heating: Uma história de sucesso!

A década de 80 até os primeiros anos da década dos anos 90 mostrava um Brasil vigoroso, economia pujante.

A indústria metalúrgica abastecia as montadoras de automóveis, que batia recordes de venda ano a ano. E os fabricantes de fornos não tinham tanto trabalho assim para vender linhas e linhas de fornos em um mercado resguardado por uma legislação protecionista.

A Brasimet, histórico fabricante de fornos industriais no Brasil, estava muita à vontade no jogo naquela época. Fundada na década de 50 a empresa atuava em praticamente toda a cadeia do processamento térmico brasileiro: prestando serviços de tratamentos térmicos, fabricava fornos de todos os tipos e tamanhos e fornecia sais e insumos para atender aos tratadores térmicos do Brasil e de toda a América do Sul. Em meados da década de 90 dois jovens amigos, funcionários da empresa já por mais de 10 anos, se reuniram em uma audaz empreitada, fundar a Industrial Heating Equipamentos e Componentes. Com prédio próprio e usando apenas de seu conhecimento técnico comercial adquirido nos anos de atividade no setor, a empresa se dedicou no inicio em atender clientes interessados em reformar seus fornos industriais. Dispensável dizer que esta atividade logo se transformou em fabricação de fornos.

Passaram-se os anos e hoje a Industrial Heating, fundada em 1996, cresceu nesses seus 25 anos, 14 NOVEMBRO 2021

Industrial Heating

tendo construído algumas centenas de Fornos e participado de reformas de milhares de equipamento, sendo atuante também com peças de reposição para fornos de sua fabricação ou de fornos de terceiros. Além disso a empresa passou a representar importantes players internacionais na área de equipamentos de processamento térmico: Rübig GmbH: Empresa Austríaca, fabricante de fornos de Nitretação a Plasma e Nitretação Gasosa, assim com fornos para têmpera a vácuo. Nabertherm GmbH: Empresa Alemã, fabricante de Fornos Industriais de processos especiais, P&D, Laboratório, Manufatura aditiva, etc. ECM TECHNOLOGIES, Empresa francesa, fabricante de fornos de cementação a baixa pressão ICBP, e equipamentos especiais.

No meio do caminho a sociedade se desfez, continuando como proprietário o engenheiro Ralph Trigueros.

Os novos parceiros da Industrial Heating: Na mesma época, no início dos anos 90 dois outros jovens iniciavam sua carreira na área de manutenção também da Brasimet mas na Divisão de Tratamentos Térmicos, como aprendizes em mecânica. Cassiano Horta, hoje Engenheiro Mecânico, e Marcio Magalhães, Tecnólogo em Produção Industrial, passaram por inúmeras fases de reestruturação e isso trouxe a eles conhecimentos voltados

para Gestão do Negócio, além de obviamente do conhecimento em Fornos Industriais.

Após aquisição da Brasimet pelo grupo inglês Bodycote em 2006, Cassiano chegou a Gerência da Planta Campinas, cargo esse que possibilitou enorme conhecimento sobre o mercado principalmente nos segmentos automotivo, aeroespacial e de óleo e gás. Marcio era responsável pela implementação e manutenção dos programas de produtividade, quando foi escolhido para compor a equipe da Qualidade. Foi responsável pelo SGQ da Brasimet por mais de 10 anos quando decidiu deixar o grupo e assumir a Qualidade da Planta de Tratamentos Térmicos da empresa Combustol em São Paulo. Retornou ao grupo após 2 anos e por fim foi responsável pela planta de Tratamentos Térmicos de Ferramentas em Jundiaí.

Em 2016 foi a vez dos dois amigos também se reunirem em uma audaz empreitada: adquirindo um tratamento térmico que se encontrava fechado há dois meses: a UNITRAT Tratamentos Térmicos. Começaram o trabalho de prospecção de clientes, fizeram um KAIZEN de organização, passaram por auditoria de ISO 9001 e o diferencial é que os dois sabiam fazer exatamente todas as atividades da fábrica, desde o recebimento até a expedição, além das atividades administrativas. Foram renegociando as dívidas da empresa e tentando ganhar fôlego para não ficar pelo meio do caminho, enquanto o volume

Indústria & Negócios

Novidades

INFORME PUBLICITÁRIO de material a ser tratado ia aumentando bem lentamente.

“O fracasso não era uma opção” e com esse lema criado pelo Cassiano foram conseguindo ultrapassar as dificuldades. Hoje a empresa conta com mais de 55 clientes ativos, com um faturamento 8 vezes maior que nos dois primeiros anos de parceria, dobraram o tamanho da fábrica e a equipe, motivo maior de orgulho deles, aumentou 10 vezes.

A Parceria E neste Outubro de 2021 Cassiano Horta e Marcio Magalhães firmaram parceria com Ralph Trigueros, assumindo posições estratégicas na Industrial Heating Equipamentos e Componentes Ltda.

Com uma nova perspectiva, reforço no gerenciamento e aproveitando o novo momento após a pandemia, a Industrial Heating se apresenta como uma opção confiável para um mercado de fornos, que está se movimentando cada vez mais no sentido de fornecer no Brasil, equipamentos com tecnologia de qualidade mundial...

Fornos Industrial Heating vê Futuro Promissor e Reforça Parcerias A Tradicional fabricante de fornos localizada em Sumaré-SP, acaba de anunciar um grande reforço em seu corpo técnico/gerencial. Os atuais responsáveis pela Unitrat Tratamento Térmico, Cassiano Horta e Marcio Magalhães firmaram parceria com Ralph Trigueros, assumindo em outubro de 2021 posições estratégicas em sua empresa Industrial Heating Equipamentos e Componentes Ltda.

Para Ralph Trigueros, a chegada dos dois profissionais com larga experiência no segmento, aumentará fortemente a presença da empresa em sua vasta carteira de clientes espalhados por todo território nacional.

Para Cassiano Horta, após o sucesso alcançado com a aquisição da Unitrat, já há espaço para alçar voos mais altos e trazer mais soluções para o mercado, além do já tradicional serviço de Tratamentos Térmicos.

Segundo Marcio Magalhães, a inspiração vem de grandes grupos como o Grupo Combustol e a antiga Brasimet que fabricava fornos, vendia peças e prestava serviços de Tratamentos Térmicos.

“Embora sejam empresas separadas, a parceria com a Industrial Heating está totalmente alinhada com a missão da Unitrat, que busca trazer soluções estratégicas para os clientes e não somente o beneficiamento de suas peças”.

Em seus 25 anos de existência, a Industrial Heating fabricou centenas de fornos de sua linha própria tipo ELAB, tipo TEMPER e equipamentos customizados fabricados por encomenda, além de reformas e intervenções em Fornos e estufas industriais.

A Industrial Heating também é parceira de grandes empresas internacionais, líderes tecnológicas em seus segmentos como a Francesa ECM Technologies, a alemã Nabertherm e a Austríaca Rübig GmbH.

Industrial Heating

NOVEMBRO 2021 15

Indústria & Negócios

Novidades

NOTÍCIAS 5 Anos Combustol Fornos A Combustol Fornos, neste mês de setembro, comemorou 5 anos de incorporação pela Combustol Equipamentos (pertencente ao Grupo Combustol & Metalpó) da antiga unidade da SecoWarwick do Brasil. Nesta incorporação também houve um acordo de cooperação tecnológica possibilitando a fabricação e assistência local de fornos a vácuo desta empresa europeia, no mercado sul-americano.

Com modernas instalações em uma planta de 5.000 m², a Combustol Fornos abrange engenharia, caldeiraria, usinagem, elétrica, laboratório de instrumentação, área de vácuo e fabricação, além de testes de equipamentos, conforme normas em vigência. Na atualidade é a empresa de bens de equipamentos térmicos, sob encomenda, na área de fornos industrias de maior longevidade, fato este reconhecido pela ABIMAQ - Associação Brasileira da Indústria de Máquinas e Equipamentos, em referência efetuada em plenária executiva.

Nesta meia década, a Combustol Fornos desenvolveu diversos fornos localmente, fruto da experiência de mais de 60 anos do Grupo Combustol & Metalpó, além de fabricar recente um forno a vácuo de têmpera de ferramentas, fornos de atmosfera de têmpera e cementação tipo in out e clássico batch, fornos dupla pista de corrente de talisca, estufas de secagem, linhas continuas de fornos de brasagem de alumínio, fornos de cura de antiaderente, também reformas e peças de reserva de equipamentos fabricados e também de exportações para países como, Peru e Argentina.

A Combustol Fornos agradece a todos os clientes e parceiros por este marco. Conheça mais sobre as nossas soluções no site www.combustol.com.br e em nossas redes sociais (Grupo Combustol & Metalpó).

16 NOVEMBRO 2021

Industrial Heating

Indústria & Negócios

Novidades

NOTÍCIAS MG Manutenção e Tecpropro Tecpropro uma empresa fundada em 2015 com sede em São Paulo investiu e dobrou o capital da MG Manutenção (MG Instalações e Mecânica Industrial LTDA), localizada no município de Hortolândia/SP Região Metropolitana de Campinas.

Como sócio majoritario Tecpropro Importação, Exportação e Consultoria Eireli com 51% das ações, e o sócio fundador e também administrador da empresa Sr. Erivan Soares da Silva com 49% das ações.

A sede da empresa MG Manutenção com um galpão e também um novo escritório localizado em Hortolândia/SP que se encontra em reforma para melhores atender.

A Tecpropro e MG Manutenção como fornecedores de soluções completas e abrangentes para mercado de tratamento térmico: consultorias, novos fornos, novos componentes e auxiliário, automação de fornos, software, peças de reposição, manutenção, reformas e modernizações de fornos.

No novo galpão já tem um forno a vácuo para revenimento do cliente, que recebeu uma modernização completa e outros projetos desenvolvidos em cooperação do cliente.

A MG empresa fundada em 2009, tem uma grande história em projetos de terceirização de manutenção de mão de obra qualificada em consertos reformas e modernização de fornos e equipamentos industriais de tratamento térmico e equipamentos similares. A MG pode ajudar em quase todos os projetos de manutenção reforma, instalação, automação e modernização do seu parque fabril de tratamento e processos térmicos, como também faz serviços em outras indústrias.

Industrial Heating

NOVEMBRO 2021 17

Indústria & Negócios

Novidades

NOTÍCIAS LMTerm chega aos 13 anos como referência no mercado de tratamento térmico e superficial A LMTerm celebra em agosto 13 anos de um trabalho focado em tecnologia e inovação para a indústria, com soluções completas e integradas para tratamento térmico e superficial. Hoje a empresa é destaque no mercado nacional e em toda a América Latina.

A história começou em 2008, em um quarto na casa do diretor e fundador da empresa, Luciano Micheletto. De lá para cá, as mudanças de sede foram sempre por um bom motivo: ampliação de estrutura e do corpo técnico.

A empresa atualmente conta com duas bases de apoio: uma no Sul do Brasil e outra em Santiago, no Chile. E está trabalhando para, em breve, alçar voos

18 NOVEMBRO 2021

Industrial Heating

rumo a outros países. Além disso, desde 2019, toda a operação da LMTerm foi integrada em uma nova sede: um galpão de 1 mil m² no Condomínio Eldorado, em São José dos Campos, onde concentra a operação, estoque e manutenção.

Mesmo com todas as dificuldades que a pandemia impôs ao mundo, a empresa ampliou o leque de produtos e serviços, aumentando portfólio e presença no mercado.

MAIS - Em 2021, a LMTerm ganhou um novo site, no qual é possível conhecer todos os produtos e serviços, além de solicitar o contato direto com especialistas.

Conheça: www.LMTerm.com.br.

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MATERIAIS RESISTENTES AO CALOR

Aproveitando ao Máximo a Seleção do Tubo de Mufla Alessandra Spaghetti – Sandvik Materials Technology, Sandviken, Suécia Os fornos de mufla são frequentemente usados em trefiladoras para recozimento e para a produção de lâminas de barbear e tubos Bundy. Os tubos de mufla dentro de tais fornos protegem o produto durante o tratamento térmico e criam condições para uma distribuição mais uniforme da temperatura.

N

a maioria dos casos, um gás de proteção como hidrogênio, nitrogênio, amônia ou endogás é alimentado no tubo da mufla. Alguns desses gases podem ser corrosivos e encurtarão significativamente a vida útil dos tubos. Além disso, a temperatura geralmente é de 800-1120°C nos fornos de recozimento, o que também pode reduzir a vida útil dos tubos de mufla.

Falhas prematuras nos tubos da mufla podem resultar em manutenção não planejada e cara. No entanto, usar um material de alta qualidade para os tubos pode estender a vida útil, reduzir os custos de manutenção e gerar economias econômicas significativas.

Trefilação Durante a operação de trefilação, a seção transversal de uma haste longa ou arame é reduzida ou alterada puxando-a através de uma matriz de trefilação. Isso também pode ser aplicado ao material de pequeno diâmetro para atingir tamanhos de fio de até 0,03 mm. A trefilação é um processo de trabalho a frio, que permite a criação 20 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

de produtos com: • Estreito controle dimensional • Bom acabamento superficial • Propriedades mecânicas aprimoradas, como resistência e dureza • Adaptabilidade ao lote econômico ou produção em massa O material deve ser devidamente preparado antes da trefilação. Isso pode ser feito por meio de recozimento, limpeza e apontamento.

O recozimento aumenta a ductilidade do estoque para aceitar a deformação durante a trefilação e às vezes é necessário entre as etapas da trefilação contínua. A limpeza do material é necessária para evitar danos à superfície de trabalho e à matriz de trefilação.

Isso envolve a remoção de contaminantes da superfície (como incrustações e ferrugem) por meio de decapagem química ou jato de granalha.

Em alguns casos, é necessária uma pré-lubrificação da superfície de trabalho após a limpeza. O apontamento envolve a redução do diâmetro da extremidade inicial do material para que ele possa ser inserido através da matriz de trefilação para iniciar o processo.

Isso geralmente é feito por estampagem, rolagem ou rotação.

A extremidade pontiaguda do material é então agarrada pelas mandíbulas do carro ou outro dispositivo para iniciar o processo de trefilação.

MATERIAIS RESISTENTES AO CALOR

Figura 1.

Figura 2.

Vários outros defeitos de superfície (como arranhões e marcas da trefila) podem resultar da seleção inadequada de parâmetros do processo, lubrificação deficiente ou condição ruim da trefila.

Como eles sofrem deformações não uniformes durante a trefilação, os produtos trefilados geralmente apresentam tensões residuais.

Recozimento de Tubo O recozimento é um processo de tratamento térmico que altera as propriedades físicas e às vezes químicas de um material para aumentar sua ductilidade e reduzir a dureza, tornando-o mais trabalhável. Consiste em aquecer um material acima de sua temperatura de recristalização; manter uma temperatura adequada; e resfriamento usando ar, água, óleo ou sal. Três estágios no processo de recozimento ocorrem conforme a temperatura do material aumenta: recuperação, recristalização e crescimento do

grão.

A recuperação resulta em um amolecimento do metal por meio da remoção de defeitos principalmente lineares, ou deslocamentos, e das tensões internas que eles causam. A recuperação ocorre no estágio de temperatura mais baixa de todos os processos de recozimento e antes do aparecimento de novos grãos livres de deformação. O tamanho e a forma do grão não mudam. Na recristalização, novos grãos livres de tensão nuclearam e crescem para substituir aqueles deformados por tensões internas. Se o recozimento puder continuar após a conclusão da recristalização, ocorre o crescimento do grão. No crescimento do grão, a microestrutura começa a ficar mais grossa e pode fazer com que o metal perca uma parte substancial de sua resistência original. No entanto, isso pode ser recuperado com o endurecimento.

A alta temperatura de recozimento pode resultar na oxidação da IndustrialHeating.com ■ SETEMBRO 2021 21

MATERIAIS RESISTENTES AO CALOR

Figura 3.

superfície do metal, resultando em incrustações. O recozimento é realizado em uma atmosfera especial, como com um gás endotérmico (uma mistura de monóxido de carbono, hidrogênio e gás nitrogênio), se a incrustação deve ser evitada. O recozimento também é realizado em um gás de formação, que é uma mistura de hidrogênio e nitrogênio.

Os fornos de recozimento contínuo são projetados para anos de serviço sem problemas no processamento de produtos de arame, fio, barras, tiras e tubos. Esses fornos são ideais para cobre, liga de cobre, níquel, níquel cromo, titânio, aço inoxidável e metais refratários. Diferentes faixas de temperatura são oferecidas para cobrir uma ampla variedade de aplicações.

Tubos Bundy Tubo de Bundy é um tubo de aço de baixo carbono de parede dupla, fabricado pela laminação de uma tira de aço revestida de cobre a 382°C que por brasagem por resistência a costura é sobreposta em um processo chamado soldagem Bundy. Tem sido usado em linhas de freio hidráulico em carros fabricados nos EUA desde a década de 1930.

Lâminas de Barbear

Os processos de fabricação da lâmina envolvem a mistura e fusão dos componentes do aço. Essa mistura passa por um recozimento, o que torna a lâmina mais resistente. O aço é aquecido a temperaturas de 1075-1120°C e então temperado em água a uma temperatura entre -60 a -80°C para endurecê-lo. O aço é então revenido a uma temperatura de 250-400°C.

Tubos de Mufla Ao escolher um material adequado para tubos de mufla, é importante considerar a resistência ao calor, resistência à corrosão, 22 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

boa consistência do material lote a lote e total rastreabilidade.

A Sandvik tem um forte histórico de entrega de materiais para algumas das indústrias e clientes mais exigentes do mundo.

A empresa produz diferentes tipos de ligas resistentes a altas temperaturas que podem suportar todos os tipos de gases de proteção e ambientes de até 1200°C. Os tubos de mufla Sandvik são fabricados em uma ampla gama de aços inoxidáveis - cada um com algumas peculiaridades baseadas nas especificidades de sua composição. Típico de todo aço inoxidável é uma camada de superfície protetora de óxido de Cr₂O₃ (óxido de cromo). Em temperatura ambiente, isso fornece uma barreira suficiente para a difusão de gases e protege os tubos da corrosão. Em temperaturas superiores a 500°C, entretanto, um mecanismo de difusão começa a permitir que os gases penetrem na estrutura metálica e comecem a se ligar a alguns dos elementos benéficos do grau (Fig. 1).

Os compostos de oxigênio, carbono e nitrogênio tendem a se ligar ao cromo, mas esgotam a camada protetora de óxido de Cr. O enxofre se une facilmente ao níquel, por isso é preferível usar um material quase sem níquel, como um tipo ferrítico, em casos de risco de sulfetação

Seleção de Material Ao escolher um material capaz de resistir a altas temperaturas em atmosfera corrosiva, três fatores devem ser considerados: resistência à corrosão, estabilidade estrutural e resistência à fluência (Fig. 2).

Resistência à corrosão em Diferentes Ambientes As principais atmosferas encontradas nas mufla são: • Hidrogênio até 1250°C • Nitrogênio até 1150°C • Amônia dissociada até 1100°C

MATERIAIS RESISTENTES AO CALOR

Figura 4.

• Endogás até 1150°C • Ar até 1250°C Em cada caso, é importante selecionar a melhor nota para atender ao desempenho solicitado.

A amônia dissociada é um dos ambientes mais agressivos nesta aplicação. Isso causa uma rápida nitretação do material do tubo, o que leva a uma perda de resistência mecânica. Ao selecionar uma liga com maior teor de níquel, é possível estender a vida útil.

O nitrogênio parece ser um ambiente menos severo do que a amônia dissociada. O endogás irá causar uma rápida carburização, o que também reduz a resistência mecânica do tubo de mufla. O hidrogênio é um ambiente menos agressivo.

Materiais de alta temperatura foram projetados para trabalhar em altas temperaturas, mas existem alguns intervalos que devem ser evitados, pois podem levar à precipitação / formação de algumas fases intermetálicas prejudiciais e frágeis (Fig. 3).

Por exemplo, Sanicro® 31HT pode formar a fase gama-prime, enquanto os outros formam a conhecida fase sigma frágil. O Sandvik 4C54 pode enfrentar desafios devido ao fenômeno de fragilização a 475°C na fase ferrítica. A formação dessas fases ocorre com diferentes velocidades / cinéticas baseadas no material conforme mostrado no diagrama TTT (tempo, temperatura e transformação) (Fig. 4).

As curvas na imagem mostram quando a formação da fase

1% sigma começa. Dentro dos intervalos de precipitação para as diferentes fases, por exemplo, a fase sigma de 1% é precipitada a 800°C para Sandvik 353MA após 7.000 horas, para Sandvik 253MA após 2.000 horas e para 310 e 309 após menos de 200 horas. O Sandvik 4C54 precipita a fase sigma a 1% a 650°C após menos de 200 horas.

Resistência à Fluência A resistência à f luência é importante caso haja o risco de deformação do material em altas temperaturas. Alguns testes são mostrados na Figura 5. Como pode ser visto, o grau ferrítico é menos resistente à f luência, enquanto o Sanicro® 31HT e os graus MA apresentam melhor desempenho.

Sumário e Conclusões Tubos de muf la são usados para proteger um produto do ambiente do forno durante o tratamento térmico e para criar condições para uma distribuição de temperatura mais uniforme.

Na maioria dos casos, um gás de proteção é alimentado no tubo. Alguns desses gases são muito agressivos e podem reduzir significativamente a vida útil dos tubos da muf la.

A temperatura pode chegar a mais de 1200°C em alguns fornos de recozimento, mas as temperaturas de 800-1120°C são as mais comuns. Essas altas temperaturas geralmente resultam em uma vida útil curta, levando a paradas frequentes para IndustrialHeating.com ■ SETEMBRO 2021 23

MATERIAIS RESISTENTES AO CALOR

Figura 5.

manutenção e substituições do tubo da muf la. Como o valor da perda de produção é alto, a decisão de selecionar um tipo melhor de material para tubos será benéfica a longo prazo.

A Sandvik criou uma gama de produtos que podem melhorar o desempenho da muf la. O Sanicro® 31HT da empresa é frequentemente usado em ambientes com amônia dissociada, que é um dos ambientes mais agressivos nesta aplicação. Isso causa uma rápida nitretação do material do tubo, o que leva a uma perda de resistência mecânica. Ao selecionar uma liga com maior teor de níquel (como Sandvik 353Ma ou Sandvik® 61), a vida útil pode ser estendida.

Sanicro 31HT é um material adequado onde nitrogênio puro ou quando é usada uma mistura de nitrogênio e hidrogênio. O nitrogênio pode ser um ambiente menos severo do que a amônia dissociada. O endogás irá causar uma rápida carburização, o que também reduz a resistência mecânica do tubo de muf la.

Sandvik 353 MA é o material com melhor custo-benefício nessas condições. O hidrogênio é um ambiente menos agressivo. Nessas condições, o material com melhor custo-benefício é o Sandvik 253 MA, seguido pelo Sanicro 31HT. 24 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

Sandvik 4C54 é uma escolha econômica para recozimento de aço carbono porque é realizado em uma faixa de temperatura mais baixa.

Certas condições operacionais encurtarão a vida útil dos tubos de muf la. Resíduos, como hidrocarbonetos, sabão ou pó de trefilação, podem aumentar o risco de corrosão. Ciclos freqüentes de temperatura também encurtam a vida útil. Se ocorrerem falhas prematuras, uma análise cuidadosa do processo é recomendada. Isso pode resultar na seleção de um material mais adequado, otimizado para suas condições especiais.

Para obter mais informações: Entre em contato com Alessandra Spaghetti, gerente de produto global, caldeira de alta temperatura e tubulação de compósitos; Sandvik Materials Technology, Business Unit Tube EMEA, 811, 81 Sandviken, Suécia; tel: +4626260000; e-mail: tubespecial.smt@sandvik.com; web: http://materials.sandvik/en/.

CERÂMICA E REFRATÁRIOS / ISOLANTES

Melhores Formulações Refratárias por Meio de Descoberta Científica Acelerada Dr. Tina Kaarsberg Uma ferramenta para otimizar as formulações de pó para fabricação de aditivos de metal diminuirá muito o tempo para o desenvolvimento de novas ligas e oferecerá desempenho superior a um custo mais baixo para aplicações industriais personalizadas.

O

Advanced Manufacturing Office (AMO) do Departamento de Energia dos EUA está patrocinando pesquisas para formular pós de metal de alta qualidade otimizados para manufatura aditiva de metal (AM Additive Manufacturing), incluindo ligas difíceis de construir, como ligas refratárias de alta temperatura. As ligas de múltiplos principais elementos refratários AM (MPEAs - Multi-PrincipalElement Alloys), compreendendo elementos com pontos de fusão de 1850-2200 °C, oferecem o potencial para melhorias de

mudança radical na resistência a altas temperaturas extremas necessárias para as mais novas turbinas a gás de alta eficiência e outras aplicações industriais.

Se tais MPEAs refratários AM puderem ser feitos mais fortes e mais elásticos, isso daria início a uma era de liderança na fabricação de materiais dos EUA em ligas refratárias comerciais com resistência superior ao calor extremo e ao desgaste.

Uma Ferramenta para Otimizar Formulações em Pó AM Uma equipe de projeto liderada pelo Laboratório Ames está agora desenvolvendo uma Ferramenta computacional que permitirá aos fabricantes dos EUA criar e personalizar suas próprias formulações para novos MPEAs de alto desempenho. Este projeto de três anos sobre pós metálicos para manufatura aditiva IndustrialHeating.com ■ SETEMBRO 2021 25

CERÂMICA E REFRATÁRIOS / ISOLANTES

Comece com Partículas Esféricas de Pó de Alta Qualidade

Figura 1. Uma imagem de tomografia de raios-X de uma partícula de pó metálico comercial com satélites e poros (cortesia do Laboratório Nacional de Argonne)

(P4AM - veja parágrafo específico mais abaixo) está acelerando o progresso com simulações baseadas na física para estimar e otimizar as propriedades dos pós AM em uma grande variedade de formulações.

As amostras produzidas a partir das mais promissoras formulações AM passam então por testes rigorosos para ver como suas propriedades mecânicas e químicas se comparam às dos materiais produzidos por meio de fundição a granel tradicional e processamento forjado. Os dados desses experimentos são alimentados em poderosos computadores de alto desempenho que usam inteligência artificial e aprendizado de máquina para otimizar o processo. A equipe irá então “imprimir” esses pós em componentes reais para aplicações de energia, automóveis e aeroespaciais.

Após a conclusão, a Ferramenta reduzirá o número de etapas do processo e evitará as ineficiências de uma abordagem de tentativa e erro para o desenvolvimento de ligas. Espera-se que a Ferramenta reduza em dois terços o tempo necessário para um usuário industrial desenvolver uma nova liga para uma aplicação - de mais de um ano para apenas alguns meses. Mais importante ainda, espera-se que os produtos finais tenham um desempenho muito melhor do que seus equivalentes existentes e forneçam maior eficiência energética ao longo de seu ciclo de vida.

Agora, no meio do projeto, a equipe de pesquisa identificou os princípios-chave para orientar as formulações de MPEA: • Use partículas de pó metálico esféricas de alta qualidade.

• Escolha uma seleção restrita de elementos e suas proporções com base na modelagem baseada na física.

• Reconhecer o valor em resultados inesperados para descobrir novas direções promissoras para a pesquisa 26 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

Embora os modelos computacionais normalmente representem os pós AM como esferas perfeitas, a maioria dos pós produzidos comercialmente fica aquém desse ideal. Conforme mostrado na Figura 1, os pós comerciais podem incluir várias saliências ("satélites"), bem como espaços vazios ou poros. Tais irregularidades podem interromper o alinhamento das partículas na estrutura da liga, introduzindo falhas ou afetando adversamente as propriedades desejadas da liga.

O laboratório Ames desenvolveu recentemente um processo de atomização de gás de alta pressão para produzir pós de alta qualidade para AM que são de tamanho consistente e quase perfeitamente esféricos. Numerosas imagens de tomografia 3D de raios-X de alta energia no Argonne National Laboratory’s Advanced Photon Facility mostraram que os melhores pós de amostra de Ames eram ordens de magnitude menos porosos do que os pós comerciais (0,01% de porosidade para as partículas de Ames em comparação com 2-4% de porosidade para pós de referência comerciais).

Como os modeladores podem "assumir uma partícula esférica" com segurança para pós produzidos por meio da atomização de gás de Ames, seus modelos baseados na física fazem um trabalho melhor de prever as propriedades da liga e projetar os processos AM que posicionam cuidadosamente as partículas em microestruturas cristalinas específicas. Mais importante, pós de alta qualidade se traduzem em peças impressas de forma aditiva que possuem menos defeitos e maior confiabilidade.

Modelagem Baseada em Física para MPEAs O espaço de projeto para ligas refratárias não tem mais apenas duas ou três dimensões, mas cinco ou seis (veja o parágrafo mais abaixo sobre Liga de Multi-Elementos). O número de combinações de MPEA refratários e o poder computacional necessário para modelá-los é exponencialmente maior do que para ligas tradicionais. Para encontrar um bom ponto de partida neste espaço de design de cinco ou seis dimensões, o modelo inicial da equipe de projeto usou as regras de composição de longa data "Hume-Rothery".

Os teóricos da Ames começaram com molibdênio refratário (Mo) e então identificaram combinações com tungstênio (W), tântalo (Ta), titânio (Ti) e zircônio (Zr) como um espaço de projeto promissor para um MPEA refratário. A equipe usou simulações de dinâmica molecular para prever as ligas com maior probabilidade de oferecer maior estabilidade com elasticidade bastante aprimorada em comparação com ligas comerciais.

Os pesquisadores estreitaram seu projeto para ligas refratárias de alta resistência usando a teoria do funcional da densidade (DFT - Density Functional Theory) e simulações baseadas na teoria dos primeiros princípios para prever a estabilidade de fase e o comportamento mecânico.

A Figura 2 mostra alguns desses resultados de simulação como

CERÂMICA E REFRATÁRIOS / ISOLANTES

Figura 2. Uma fatia bidimensional (2-D) através do espaço de design de cinco dimensões de uma liga MPEA consistindo em cinco elementos componentes: Mo, W, Ta, Ti e Zr. As cores são baseadas em resultados DFT. O gráfico maior mostra a energia de formação. O gráfico inserido ilustra que a força máxima ocorre na mesma região fora do equiatoma do espaço do projeto onde a liga pode ser mais estável.¹

um corte 2-D no espaço de projeto 5-D. Embora ligas quase equiatômicas de alta entropia contendo Mo sejam conhecidas pela resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão, esta fatia específica do gráfico 5-D indica que a liga equiatômica (designada com um "1" na Figura 2) não seria a escolha ideal devido à sua alta energia de formação (cerca de 15 mRy). Com base nessas previsões, as amostras das combinações de refratários MPEA fora do equiatômico foram fabricadas para validar suas propriedades aprimoradas, incluindo resistência à alta temperatura, estabilidade térmica e ductilidade – juntamente com forte resistência à corrosão, fratura e f luência.

Resultados Inesperados

O uso crescente de modelos baseados na física, aprendizado de máquina e computadores cada vez mais poderosos podem

sugerir que os dias de descobertas fortuitas estão para trás, mas os pesquisadores ainda podem fazer descobertas valiosas ao encontrar oportunidades em circunstâncias inesperadas.

Teóricos de Sandia (Sandia National Laboratories) sugeriram que a equipe tentasse uma mistura de seis elementos que combina Mo, nióbio (Nb) e Ta (com base em sucessos refratários anteriores) com Zr, Ti e alumínio (Al). Mo, Nb e Ta são elementos refratários estabelecidos com pontos de fusão acima de 2200 °C e alta dureza à temperatura ambiente. Zr e Ti são elementos refratários com pontos de fusão um pouco mais baixos (1855 °C e 1668 °C, respectivamente). O alumínio, embora não seja um elemento refratário, é conhecido por reforçar os compostos intermetálicos de alto ponto de fusão.

Para determinar o ponto de partida da composição, os experimentalistas do Sandia solicitaram que Ames usasse IndustrialHeating.com ■ SETEMBRO 2021 27

CERÂMICA E REFRATÁRIOS / ISOLANTES

Figura 3. Esta imagem composta mostra a microestrutura complexa (microscopia eletrônica de transmissão no canto inferior esquerdo) e o mapeamento químico (chave de cor no canto superior direito) de seis elementos em uma liga AM de múltiplos elementos principais (MPEA). Este novo "Kustalloy" exibe dureza potencialmente recorde em altas temperaturas (cortesia de Sandia National Laboratories).

modelagem baseada na física para identificar as composições de seis elementos onde coexistem várias fases de liga metálica. A equipe encomendou as misturas sugeridas por Ames, mas quando o pó chegou, os constituintes da mistura baseavam-se na porcentagem em peso, e não na porcentagem atômica. Esta mistura representou uma grande mudança na composição devido a sinais mistos entre teóricos e engenheiros (lição aprendida).

Embora os elementos estivessem em proporções totalmente diferentes do planejado, os pesquisadores do Sandia decidiram seguir em frente com a impressão. Após o recozimento, o resultado foi uma microestrutura maravilhosamente complexa (e provavelmente de alta resistência) (Fig. 3). Em análises mecânicas preliminares, o novo Sandia MPEA, denominado “Kustalloy”, 28 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

mostra tenacidade extrema e possivelmente a maior resistência já medida em uma liga. Mesmo com análises microestruturais e de propriedades físicas em andamento para confirmar essas descobertas, os teóricos da equipe estão expandindo seu modelo para explorar esta nova região do espaço de composição para ligas adicionais, que podem exibir dureza ainda melhor, mistura de fases e outras propriedades.

Teóricos e experimentadores concordam que a descoberta pode nunca ter acontecido usando uma abordagem puramente computacional baseada em suposições de longa data, como as regras H-R. Embora essas regras tenham se mantido bem por quase um século, elas podem não acomodar MPEAs mais complexos como Kustalloy.²

CERÂMICA E REFRATÁRIOS / ISOLANTES

Equipe do Projeto P4AM O Laboratório Ames lidera a equipe de cinco laboratórios e coordena todas as atividades do projeto. Cada laboratório traz para a equipe uma gama de conhecimentos especializados, equipamentos sofisticados e recursos não disponíveis para muitas empresas industriais hoje.

• Laboratório Ames (Ames Laboratory): Desenho, seleção e caracterização de ligas; amostra e produção de pó • Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL - Oak Ridge National Laboratory): varreduras de derretimento de superligas à base de níquel e construções de manufatura aditiva (AM), verificação do método de processamento de AM e seleção de parâmetros • Sandia National Laboratory (SNL - Sandia National Laboratory): entrada de projeto de liga para ligas de elementos de múltiplos princípios (MPEA), fusão de amostra, construção de AM e caracterização • Campus de Segurança Nacional de Kansas City (KCNSC Kansas City National Security Campus): varreduras de fusão de liga de alumínio e construções e caracterização de AM • Laboratório Nacional de Argonne (ANL - Argonne National Laboratory): Caracterização de pós AM (porosidade interna e outras características) usando a Fonte Avançada de Fótons de classe mundial da ANL

Parceiros Industriais Parceiros privados usarão sua experiência para identificar propriedades de ligas alvo, produzir amostras de ligas via AM, caracterizar o desempenho e analisar a economia de produção.

Próximas Etapas no Desenvolvimento de Ferramentas A ferramenta de seleção de liga AM da Ames agora se beneficiará dos dados e do aprendizado de máquina das novas impressões Kustalloy da Sandia, bem como das informações extraídas de ligas menos bem-sucedidas testadas anteriormente.

Os dados ainda a serem coletados e alimentados nos computadores para uma ferramenta mais inteligente incluem: resistência da liga verificada, elasticidade e resistência à temperatura, testes de produção e viabilidade econômica.

Além da ferramenta em si, métodos de produção de pó aprimorados para materiais de matéria-prima AM serão personalizados em coordenação com cada um dos produtores de pó participantes. Os parceiros da indústria usarão esses pós para fabricar aditivamente as ligas e caracterizar suas propriedades para verificar e validar os processos prescritos e a qualidade do produto.

Materiais de alta temperatura geralmente determinam a eficiência geral dos sistemas maiores nos quais eles têm uma função.³ Aeroespacial, energia, defesa, transporte e outras indústrias que requerem materiais com alta resistência térmica irão se beneficiar significativamente de novas ligas que oferecem desempenho superior em custo. A ferramenta de design de liga

AM integrada - do pó ao componente - ajudará o setor privado a se aproximar de cumprir a promessa da AM de fornecer energia e benefícios de custo para múltiplas aplicações.

Ligas de Multi-Elementos As ligas que compreendem três ou mais elementos são chamadas de ligas "multi-elementos". A figura é um diagrama ternário (3 eixos) da composição da liga com os eixos mostrando a composição percentual do elemento (ou par de elementos como na Figura 2) em cada vértice. Os círculos brancos são combinações de ligas com> 95% de um “elemento principal” que são as tradicionais ligas de múltiplos elementos (MEAs).

A metalurgia computacional e experimental avançou ao ponto em que os pesquisadores podem modelar e fabricar ligas compreendendo de três a seis elementos em grandes proporções (de até 35%).

A mudança nas décadas de 1980 e 1990 dos cantos deste diagrama ternário para o centro foi inspirada por uma observação baseada na física de que a alta entropia configuracional de ligas com cinco ou mais elementos em combinações quase equiatômicas pode estabilizá-los em uma solução sólida Estágio. Isso sugeriu que tais ligas seriam capazes de suportar temperaturas e pressões extremamente altas.

Uma das primeiras ligas de alta entropia (HEAs - HighEntropy Alloys) - a exatamente equiatômica FeCrMnNiCo, também conhecida como liga “Cantor” - tem sido objeto de pesquisas consideráveis. Embora o termo HEA às vezes seja usado para descrever o espaço completo (laranja) de ligas de múltiplos elementos principais nas quais nenhum elemento é dominante, ele se refere com mais precisão às ligas quase equiatômicas próximas ao centro do gráfico. Aqui, descrevemos o conjunto mais amplo de ligas com o termo “ligas de múltiplos elementos principais” (MPEAs - Multi-Principal Element Alloys). Cada elemento principal em um MPEA representa pelo menos 5% do peso atômico da liga. Os MPEAs têm microestruturas exclusivas que prometem extraordinária resistência, resistência e estabilidade térmica.

Os eixos são a porcentagem do peso atômico para os elementos a, c e e. A linha tracejada azul que atravessa o HEA é um corte de 100% “e” para 50% “a” e 50% “c”.

Para obter mais informações: entre em contato com Tina Kaarsberg, Ph.D., gerente de tecnologia, Advanced Manufacturing Office do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável, Washington, D.C ., EUA; tel: +1 202-586-5112 email: tina.kaarsberg@ee.doe.gov AMO web: https://energy.gov/eere/amo/advanced-manufacturing-office

IndustrialHeating.com ■ SETEMBRO 2021 29

TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

Benefícios dos Sistemas Modulares de Aquecimento por Indução Mario Metodiev – Ultraflex Power Technologies; Ronkonkoma, N.Y. Este artigo apresenta os benefícios dos conversores de frequência escalonáveis e configuráveis.

P

or décadas, o aquecimento por indução tem sido amplamente utilizado em muitas indústrias para aquecer materiais condutores. Entre as principais vantagens do aquecimento por indução estão sua maior eficiência energética e seu menor impacto ambiental em comparação com a maioria das outras fontes de energia.

As fontes de energia para o aquecimento por indução são conversores de frequência que operam a partir da rede elétrica convertendo-a em uma saída monofásica em frequência mais alta e adequada ao processo selecionado.

Um dos desafios da maioria dos conversores de frequência para aquecimento por indução é que eles não podem ser facilmente alterados para uma demanda maior de produção ou facilmente reconfigurados para uma aplicação diferente. Isso se deve principalmente ao design tradicional adotado na parte inversora dos conversores.

Com a introdução da tecnologia de indução modular SmartPower ™ patenteada, os conversores podem ser facilmente reconfigurados ou atualizados. Isso permite um custo inicial mais baixo e a possibilidade de atualização para uma nova demanda de produção.

30 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

Figura 1. Exemplo de topologia modular

TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

Flexibilidade de Configurar e Reconfigurar os Sistemas para Diferentes Requisitos de Potência e Múltiplas Saídas As conversores de frequência para aquecimento por indução são construídos a partir de conjuntos conhecidos como módulos de RF. Cada módulo de RF é instalado em um gabinete comum, mas é conectado diretamente à rede elétrica, tornando-o uma fonte de alimentação de operação independente. Cada módulo é projetado para fornecer até 25 kW de potência de saída.

Outras especificações de potência também são possíveis e estão disponíveis. Esses módulos podem operar independentemente ou em conjunto uns com os outros. Até 24 módulos podem ser configurados para trabalhar conjuntamente e fornecer potência de até 600 kW. Outro recurso exclusivo da tecnologia SmartPower ™ é que esses módulos de RF podem ser agrupados para trabalhar em qualquer configuração e fornecer energia para até quatro indutores ou saídas individuais. Por exemplo, uma saída pode ser configurada para operar com quatro módulos (100 kW), uma segunda saída pode ser configurada para operar com um módulo (25 kW), uma terceira saída pode ser equipada com dois módulos fornecendo 50 kW e assim por diante. Desta forma, o sistema pode ser utilizado para aquecer cargas diferentes simultaneamente,

Figura 2a. Configuração com saída individual

ao invés do uso de vários conversores e sistemas de refrigeração, otimizando assim o espaço e as utilidades no chão de fábrica.

Adicionalmente, cada saída pode ser configurada para operar em diferentes faixas de frequência. Várias faixas de frequência estão disponíveis: 2-20 kHz, 6-60 kHz, 40-200 kHz e 150-400 kHz. Este recurso é especialmente benéfico para tratadores térmicos que trabalham com ampla variedade de tamanhos de peças e processos que necessitam diferentes profundidades de têmpera ou parâmetros de tratamento térmico.

Flexibilidade de atualização da Fonte de Potência com a Adição de Módulos no Sistema Existente A tecnologia SmartPower ™ possibilita uma atualização de um sistema pré-existente no local. O usuário pode adquirir um sistema e atualizá-lo posteriormente, caso o volume de produção aumente ou se for necessário adicionar capacidade extra à linha de produção. Como isso funciona?

Cada armário pode conter até oito módulos, mas pode ser inicialmente montado com menor quantidade. Por exemplo, um tratador térmico está planejando processar certas peças e 75 kW de potência são suficientes para atender o processo produtivo.

Assim, pode-se comprar um sistema SmartPower ™ com três

Figura 2b. Configuração com duas saídas

IndustrialHeating.com ■ SETEMBRO 2021 31

TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

Figura 3. Conversor modular com duas saídas independentes

módulos de 25 kW, deixando o gabinete com cinco slots vazios.

Mais tarde, eles podem dobrar sua taxa de produção ou adicionar outra linha de produção comprando três módulos extras de 25 kW. Eles podem instalá-los no gabinete existente e dobrar a potência de saída para 150 kW ou adicioná-los como uma segunda saída independente de 75 kW. A atualização do sistema pré-existente é feita por uma fração do preço de um sistema novo com a mesma capacidade e pode ser realizada em campo em apenas algumas horas. Contanto que a energia da rede elétrica instalada permita, nenhum custo adicional de instalação ou espaço físico será necessário.

Tempo de Parada Reduzido e Fácil Manutenção A abordagem modular usada nesses sistemas de indução também pode ser utilizada para garantir tempo de parada reduzido. Isso pode ser obtido adicionando um módulo extra a uma saída de energia existente. Por exemplo, um processo requer uma potência total de 100 kW (4 módulos RF de 25 kW), mas um módulo sobressalente de 25 kW pode ser instalado, permitindo um módulo de backup com uma capacidade extra de 25 kW. O sistema de controle é programado para operar todos os cinco módulos em um nível de potência reduzido (80%) para 32 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

Figura 4. Zona de aquecimento

TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

Figura 5. Processo de brasagem multiponto com sistema modular

atingir os 100 kW necessários. Se um módulo falhar, ele pode ser desativado. O sistema de controle detectará isso automaticamente e compensará ligando os quatro módulos restantes a 100%, fornecendo os 100 kW necessários ao processo. Isso permitirá que a produção continue sem interrupções até o momento de manutenção programada, quando o módulo com falha poderá ser substituído ou reparado.

Eficiência Energética Melhorada O controle digital utiizado nesta tecnologia modular foi possível com o uso da mais recente tecnologia de semicondutores MOSFETs de carbeto de silício (SiC) (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico). Esses dispositivos operam de forma muito eficiente devido a perdas de chaveamento significativamente menores e estão substituindo os dispositivos IGBT tradicionais usados em sistemas de aquecimento por indução durante décadas.

Simplificadamente, o controle digital patenteado faz uso de um algoritmo que comuta os módulos controlados independentemente conforme a demanda de energia da carga muda, garantindo flexibilidade de ajuste e eficiência na conversão. O uso de semicondutores eficientes em combinação com algoritmos de controle avançados aumenta a eficiência de conversão de energia

dessa tecnologia a mais de 95%.

Além disso, a operação eficiente dos sistemas modulares requer menos capacidade de resfriamento, o que contribui ainda mais para a eficiência geral e menor custo de operação.

Considerações Práticas e Usos do Aquecimento por Indução Modular Quais são as vantagens que a tecnologia SmartPower ™ oferece para diferentes processos de aquecimento em comparação com os sistemas de aquecimento por indução convencionais?

A capacidade de se conectar várias saídas com diferentes faixas de frequência é frequentemente utilizada na área de tratamento térmico, onde uma saída de alta frequência pode fornecer a profundidade de aquecimento necessária para a têmpera e uma segunda ou terceira saída, ajustada para operar em uma frequência mais baixa, pode fornecer o estágio de aquecimento para o revenimento ou alívio de tensão do processo de tratamento térmico. Ter opções de diferentes frequências e de saídas pode ser utilizado para atingir uma ampla gama de profundidades de têmpera sem comprometer a produtividade.

Muitas aplicações requerem recursos de aquecimento por zona, sendo cada uma controlada de forma independente e mantendo um determinado perfil de temperatura. A utilização de aquecimento IndustrialHeating.com ■ SETEMBRO 2021 33

TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

por indução modular torna essa tarefa de fácil implementação neste tipo de aplicação.

O aquecimento por zona é amplamente utilizado nas indústrias de semicondutores e MOCVD (deposição de vapor químico orgânico de metal), onde diferentes zonas de aquecimento com temperaturas rigidamente controladas dentro dos reatores são críticas para o crescimento de cristais ou processos de deposição.

O tecnologia de aquecimento por zonas também pode ser utilizado em tratamento térmico ou fornos com processos de cura, onde as bobinas de aquecimento podem ser divididas em seções separadas e conectadas a uma das saídas da fonte de potência. Desta forma, cada zona pode ter seu próprio perfil de temperatura e parâmetros de aquecimento.

Por exemplo, uma aplicação de tratamento térmico por indução pode ter uma bobina de pré-aquecimento, uma segunda bobina que aquece as peças até a temperatura de têmpera (austenitização), e em seguida uma terceira bobina aquecendo até uma temperatura mais baixa para o revenimento.

Outra aplicação para aquecimento por zonas são os fornos de aquecimento de tarugo de aço em contínuo. A eficiência energética nesses fornos pode ser significativamente aumentada pelo uso de duas saídas (zonas) separadas: uma zona de pré-aquecimento, que é ajustada para aquecer o aço até a temperatura de ponto Curie, onde ocorre a perda das propriedades magnéticas; e uma zona de aquecimento final, em que o sistema de indução e a bobina são ajustados para temperaturas pós-Curie adequada ao comportamento da carga não magnética onde a carga muda significativamente.

Algumas aplicações de aquecimento por indução requerem aquecimento multiponto ou várias bobinas operando em um espaço confinado.

Um exemplo de tal instalação é uma estação de brasagem por indução onde várias bobinas podem ser necessárias para brasar diferentes tipos e tamanhos de juntas. Nesse caso, um sistema de aquecimento por indução modular seria uma boa alternativa, pois fornece várias saídas sintonizadas para diferentes bobinas e frequências. As bobinas podem ser montadas em braços robóticos, operados manualmente ou em uma combinação de ambos.

O uso de sistemas modulares de indução em uma instalação de aquecimento multiponto oferece flexibilidade extra e a capacidade de reconfigurar rapidamente as saídas e adicionar capacidade a uma saída. Ele também permite que o usuário configure saídas adicionais sem investimento significativo, prazos de entrega extensos ou mudanças na linha de produção.

Tradução gentilmente oferecida por José Carlos Zerbini da Synergetica Consultoria em Sistemas e Processos.

Para obter mais informações: Entre em contato com Mario Metodiev, Ultraflex Power Technologies, 10 Colt Ct, Ronkonkoma, NY 11779; tel: 631-467-6814; web: www.ultraflexpower.com.

34 SETEMBRO 2021 ■ IndustrialHeating.com

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ESTAMPAGEM &

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17 Vendido o Maior Forno a Vácuo da América do Sul Seminário de Processos de TT em Abril na Delphi, em Piracicaba (SP) 16 Seminário de Manutenção e Segurança de Fornos em Junho na Combustol Fornos, em Jundiaí (SP)

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CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

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

A Formação de Carboneto durante o Processo LPC Introdução 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 na 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 quarta e última parte de um artigo, examinando a modelagem de tratamentos térmicos. Na primeira parte, foi revisado o modelamento de tratamentos térmicos utilizando o software de simulação desses processos, DANTE, em conjunto com o ANSYS, para modelar diversos processos de tratamentos térmicos. O segundo artigo examinou um caso de estudo onde o DANTE foi utilizado para reprojetar um processo de têmpera por indução a fim de reduzir trincas de têmpera. O terceiro artigo explorou a utilização do DANTE para evoluir e reprojetar a ferramenta de press quenching a fim de reduzir a distorção dimensional em uma engrenagem cônica. Este último artigo vai examinar um caso de estudo envolvendo o processo de cementação à baixa pressão (LPC) e a formação de carbonetos. O DANTE inclui a capacidade de modelar a formação de carbono e a sua distribuição durante o processo LPC de uma liga de aço, podendo ser utilizado para desenvolver configurações do processo LPC baseadas na morfologia do carboneto.

Demonstração do problema A cementação de baixa pressão (LPC) está rapidamente se transformando no método de cementação de escolha das indústrias por apresentar flexibilidade no controle da superfície carbonizada e por ter uma tecnologia de superfície limpa. No entanto, em comparação com o processo de cementação a gás, o LPC deposita quantidades muito 36 SETEMBRO 2021

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maiores de carbono na superfície. As superfícies e as camadas subsuperficiais rapidamente alcançam, e até excedem, o limite de saturação de carbono na austenita. O aumento de carbono alcançável durante o processo LPC pode levar a formação de carbonetos indesejáveis ao final do processo. Essa formação é preocupante para altas ligas de aço, particularmente

para ligas com alta concentração de Cromo, Molibdênio e Vanádio, e mesmo as ligas gerais podem estar sujeitas a formação de carbonetos durante o processo de LPC. A formação de carbonetos durante a cementação pode ocorrer devido a uma configuração não otimizada dos tempos difusão do processo LPC, ou devido à geometria do componente

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

não ser favorável a difusão do carbono. Uma preocupação particular são as quinas retas ou chanfros mal projetados. O carbono se acumula em torno dessas áreas e aumenta a formação de carbonetos. As regiões de alta concentração de carbono podem ser facilmente removidas antes do componente ser posicionado em serviço, porém fazer isso pode alterar a microestrutura, a dureza e a tensão residual da superfície, possibilitando um dano ao desempenho do componente durante a sua aplicação.

Solução Ciclos de cementação vêm sendo determinados com sucesso por simples modelos que descrevem um estado sólido de difusão. Contudo, assim que os carbonetos são formados, a difusão do carbono é diminuída e o modelo citado anteriormente não consegue

Figura 1. Seção transversal do canto do anel modelado (esquerda) e uma visão ampliada do canto superior direito da seção (direita) para mostrar melhor as relações entre os nós utilizados para gerar os gráficos de concentração de carbono.

mais descrever apropriadamente o processo. Para o LPC, os carbonetos também se dissolvem durante a etapa de difusão, promovendo um incremento de carbono durante o processo.

Para simular o desenvolvimento ou resolver problemas relacionados ao processo de LPC, o modelo deve considerar a formação e a solubilização de carbonetos. Para isso, o software de simulação de tratamentos térmicos DANTE considera formação e solubilização dos carbonetos e foi utilizado para o caso de estudo a seguir que explora o uso da simulação para projetar um chanfro nas quinas da peça para limitar a formação de carbonetos nessa área.

Um anel 100 mm de diâmetro, 13 mm de espessura da parede e uma altura de 60 mm foi modelado no Abaqus utilizando uma seção transversal axissimétrica. O processo de LPC foi projetado e modelado para alcançar 1.0% de carbono na superfície com uma profundidade efetiva de 1.0 mm. O anel foi feito de uma liga de aço Vasco X-2M. Inicialmente, a simulação foi executada para avaliar a formação de carbonetos nos cantos retos das superfícies ID e OD. Diversos gráficos foram gerados para mostrar a quantidade de carbono na matriz austenítica, a quantidade de carbono presente em forma de carbonetos e a quantidade de carbono total. A Figura 1 mostra a seção transversal (esquerda) do anel e uma imagem amplificada do canto superior direito (direita). Os nós que foram utilizados para gerar os gráficos estão marcados em vermelho.

A Figura 2 mostra as três variáveis: a quantidade de carbono contida na matriz austenítica (‘Free Carbon’), a quantidade de carbono contida na forma de carbonetos (‘Carbide’), e a

quantidade total de carbono (‘Free Carbon + Carbide’) na superfície durante todo o processo LPC. Na superfície do canto, a quantidade de carbono em carboneto é problemática. A Figura 2 também mostra que a formação de carbonetos na superfície acontece durante a primeira elevação de pressão, também chamada de boost. Essa informação é importante pois determina se o processo LPC precisa ser reprojetado. Sabendo disso, o tempo do primeiro boost pode ser reduzido a fim de limitar a quantidade e o tamanho dos carbonetos formados e/ou o tempo do primeiro passo de difusão pode ser aumentado para auxiliar na difusão dos carbonetos formados durante o passo de boost.

Contudo, para este estudo de caso, o objetivo é manter as configurações do processo LPC, desde que o carbono na superfície, a profundidade da caixa e a quantidade de carbonetos nas superfícies ID e OD sejam aceitáveis. Caso não ocorra, modifica-se a geometria para reduzir a formação de carbonetos nos cantos.

A Figura 3 é um gráfico das três variáveis do carbono, durante todo o processo LPC, a uma profundidade de 0.5 mm da superfície do modelo com canto agudo. A quantidade de carbono na forma de carbonetos é consideravelmente menor nessa profundidade do que na superfície, mas essa quantidade continua aumentando de maneira estável. Esse crescimento indica que os carbonetos estão se formando e não se difundindo, o que é motivo para preocupação.

Se a geometria acima e o processo LPC fossem utilizados para produção, seria necessário realizar um acabamento pós-tratamento térmico para remover os carbonetos da superfície Industrial Heating

SETEMBRO 2021 37

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Figura 2. Gráfico do carbono presente na matriz austenítica (free carbon), do carbono em forma de carbonetos (carbide) e da quantidade total de carbono (free carbon+carbide) no canto OD na superfície do anel com cantos retos.

Figura 4. Seção transversal completa do modelo de anel de canto reto (esquerda) e ampliação no canto superior direito da seção transversal (direita) para mostrar melhor a relação entre os nós utilizados para gerar os gráficos do carbono.

Figura 3. Gráfico do carbono presente na matriz austenítica (free carbon), do carbono em forma de carbonetos (carbide) e da quantidade total de carbono (free carbon+carbide) a uma profundidade de 0.5 mm a partir do canto DE do anel com cantos retos.

próxima do anel nos cantos DI e OD. Além dos custos associados aos processos de pós-tratamento térmico, a caixa cementada que se teve de trabalhar duro para obter seria usinada. A remoção de porções da caixa cementada tem efeitos prejudiciais na dureza e nas propriedades mecânicas 38 SETEMBRO 2021

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desses locais. Além de alterar a dureza e as propriedades mecânicas, a tensão compressiva gerada pela transformação martensítica retardada no caso também é reduzida.

Em vez de realizar operações de acabamento após o processo de tratamento térmico para remover os

carbonetos, pode ser implementado um chanfro a fim de reduzir a formação de cabonetos até uma quantidade aceitável, utilizando a mesma configuração de boost/difusão do processo LPC. Uma configuração diferente também poderia ser desenvolvida para tentar reduzir essa formação e obter resutados aceitáveis em outras superfícies. Para começar o reprojeto da geometria, foi encontrada uma localização no OD que continha um nível aceitável de carbono na forma de carboneto. Deve-se notar também que carbonetos relativamente pequenos formados durante a cementação devem se dissolver durante uma etapa de austenitização subsequente, mas isso aumentará ligeiramente o carbono assumido na austenita no momento da transformação. Caso a têmpera ocorra diretamente após a cementação, a formação de carbonetos durante

CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Figura 5. Gráfico do carbono presente na matriz austenítica (free carbon), do carbono em forma de carbonetos (carbide) e da quantidade total de carbono (free carbon+carbide) a uma profundidade de 0.5 mm a partir do canto do OD do anel com cantos retos.

Figura 6. Seção transversal completa do modelo de anel com chanfro de 0.5 mm x 0.5 mm (esquerda) e ampliação no canto superior direito da seção transversal (direita) para mostrar melhor a relação entre os nós utilizados para gerar os gráficos do carbono

Figura 7. Gráfico do carbono presente na matriz austenítica (free carbon), do carbono em forma de carbonetos (carbide) e da quantidade total de carbono (free carbon+carbide) na parte plana do chanfro de 0,5 mm x 0,5 mm no OD na superfície do anel.

a cementação vai continuar na forma de carbonetos até o fim da têmpera.

A área correspondente a esse critério ocorre a 0.5 mm a partir do canto OD na superfície dessa geometria. A figura 4 mostra essa localização onde o nó destacado em vermelho para a seção transversal completa (esquerda)

e uma ampliação do canto superior direito (direita).

A Figura 5 é um gráfico do carbono presente a matriz austenítica (‘Free carbon’), do carbono na forma de carbonetos (‘Carbide’), e da quantidade total de carbono (‘Free carbono + Carbide’) durante todo o processo

LPC a uma distância de 0.5 mm na superfície OD, mostrado na Figura 4. Embora ainda exista carbono na forma de carbonetos, a quantidade está diminuindo e é relativamente pequena. Essa quantidade e comportamento são considerados aceitáveis para a aplicação.

A Figura 6 mostra o anel modelado acima com chanfros de 0,5 mm x 0,5 mm no ID e OD, incluindo uma ampliação do canto OD e os dois nós usados para plotar as variáveis do carbono em função do tempo. O mesmo processo LPC foi simulado para a nova geometria, para avaliar a formação de carboneto no chanfro e determinar se modificações futuras são necessárias.

As Figuras 7 e 6 mostram as três vairiáveis do carbono; a quantidade de carbono contida na matriz austenítica (‘Free Carbon’), a quantidade Industrial Heating

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CONTROLE DE PROCESSO & INSTRUMENTAÇÃO

Referências [1] Zhichao Li, Andrew Freborg, and B. Lynn Ferguson, “Applications of Modeling to Heat Treat Processes,” Heat Treating Progress, May/June 2008, pp. 28-33.

[2] Zhichao Li, Andrew Freborg, and B. Lynn Ferguson, “Effective Design of Heat Treat Processes Using Computer Simulations,” 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 Quenching Process on the Formation of Figura 8. Gráfico do carbono presente na matriz austenítica (free carbon), do carbono em forma de carbonetos (carbide) e da quantidade total de carbono (free carbon+carbide) em um ponto 0,5 mm abaixo da superfície do anel com um chanfro de 0,5 mm x 0,5 mm.

Residual Stresses in Automotive Gears,” Computational Materials Science, Vol. 62 (2012), pp. 99-104.

[4] B.L. Ferguson, Z. Li, and A.M. Freborg, “Modeling Heat Treatment of Steel Parts,”

de carbono contida nos carbonetos (‘Carbide’), e a quantidade total de carbono (‘Free Carbon + Carbide’) para o modelo com chanfro de 0.5 mm mostrado na Figura 6, na superfície do chanfro e 0.5 mm abaixo da superfície, respectivamente.

Como pode ser observado na Figura 7, ainda existe uma pequena quantidade de carbono presente na forma de carbonetos na superfície do chanfro. A quantidade é pequena e provavelmente será removida por uma operação de retificação final. A Figura 8 revela, a distância de 0.5 mm da superfície do chanfro, todo o carbono presente na matriz austenítica no momento da transformação. Isso indica que nenhum carboneto indesejado será formado a essa profundidade.

Resumo A Composição do material, a configuração de boost/difusão e a geometria da peça vão afetar a formação de carbonetos e a difusão. Utilizar o software de simulação de tratamentos 40 SETEMBRO 2021

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térmicos DANTE para explorar os efeitos que cada um desses parâmetros tem no resultado da cementação, respeitando o crescimento e a dissolução dos carbonetos, pode ajudar a determinar a severidade da formação de carbonetos e a sua localização, antes que a produção do componente se inicie. Realizar uma abordagem proativa para o processo de cementação a baixa pressão, com o auxílio do software de simulação de tratamentos térmicos, é possível obter maior custo-benefício.

Ao entender a sensibilidade dos componentes às configurações de boost/ difusão, às características geométricas, às temperaturas de cementação e aos elementos de liga, é possível alcançar uma redução no tempo de processo, na usinagem pós-tratamento térmico e nas taxas de refugo.

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 Process Sensitivities in Press Quenching: An Integrated Approach,” Proc 28th ASM Heat Treating Society Conference, Detroit, MI, October 2015, pp. 233-251.

[7] Li, Zhichao, et al., “Press Quench Process Design for a Bevel Gear using Computer Modeling,” Proc 23rd IFHTSE Congress, Savannah, GA 2016, pp. 78-87.

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

Tradução feita gentilmente por Amanda Pereira Silva (SIXPRO Virtual&Practical Process, Brasil).

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