Considerando o processo de fabricação como um todo, o tratamento térmico é consistentemente visto como uma etapa crítica para adicionar valor às peças produzidas. Além disso, sem um tratamento térmico confiável e repetível, é impossível atingir uma competitividade considerando os custos de fabricação como um todo
Uma peça que passou por um caro processo de fabricação de fusão, laminação a quente ou forjamento, recozimento, usinagem de desbaste, corte de dentes e retífica, é essencialmente sem aplicação e de baixo ou nenhum valor agregado sem o tratamento térmico. Incrivelmente, o custo para esta etapa da fabricação, a qual adiciona tão alto valor, é somente uma fração do custo total de produção – geralmente, na faixa de não mais de 5%. Entretanto, esta porcentagem aumenta, grosseiramente, para 15% do custo por peça se forem consideradas todas as etapas de processo pós-tratamento inerentes ou causadas pelo tratamento térmico – como limpeza, jateamento, endireitamento e/ou retífica.
Portanto, uma redução notável dos custos de fabricação somente é possível minimizando a distorção das peças. Para isso, todos os parâmetros que causam alguma influência – como a fusão do aço, a conformação das peças, a uniformidade de microestrutura e a temperabilidade, bem como os fatores da natureza do tratamento térmico- posição das peças na carga, uniformidade de aquecimento, cementação e extração de calor durante a têmpera – precisam ser analisados e otimizados se for desejada a produção contínua de peças de qualidade em fornos de atmosfera por batelada.
Para a produção de peças de qualidade, nós estamos primeiramente preocupados com a utilização adequada dos processos de cementação e têmpera e com a tecnologia moderna aplicável. Desde a otimização dos sistemas de controle e têmpera até os benefícios da estabilização de temperatura e uniformidade dos gases, aqui estão algumas dicas que lhe guiarão em como retirar o máximo do seu processo e do seu forno de atmosfera.
Otimizando o Processo de Cementação
Ao mesmo tempo em que há, atualmente, dois processos industriais de cementação – cementação a gás em fornos de atmosfera e cementação em fornos a vácuo com baixa pressão, ambos têm o mesmo objetivo: cementar todas as peças de uma carga de modo uniforme para que haja o mesmo teor de carbono (C) superficial e a mesma profundidade de camada cementada.
Uma série de diferentes etapas de processo ocorre na atmosfera cementante. O conhecimento destas etapas é necessário para se atingir um trabalho repetível e uma cementação uniforme.
1. Reações do gás: geração dos componentes do gás cementante na atmosfera.
2. Gaseificação convectiva: transporte das moléculas contendo carbono na fase gasosa para o componente.
3. Transporte por difusão: transporte das moléculas contendo carbono através da camada de contorno (v = 0) na superfície do componente.
4. Dissociação e adsorção: dissociação das moléculas na superfície do componente.
5. Absorção: absorção do carbono pela superfície do componente.
6. Difusão: transporte de carbono dentro do componente.
De uma maneira geral, as reações do gás que ocorrem na atmosfera cementante são muitas e variadas. Levando em consideração as seis etapas listadas acima, existe uma condição de cementação ideal se a temperatura e o gás estiverem uniformes, fluírem sobre os componentes e as reações cinéticas rápidas ocorrerem uniformemente em toda a câmara de tratamento. A produção de componentes de qualidade pode ser positivamente influenciada ao serem atingidas condições ideais nestas áreas.
Uniformidade de Temperatura
Uma temperatura uniforme é um dos primeiros passos (e o mais essencial) para assegurar que as peças emerjam com uma profundidade cementada ideal – e, consequentemente, qualidade superior. Em fornos de atmosfera por batelada eficientes (como o Ipsen ATLAS), uma uniformidade de temperatura de pelo menos ± 7°C é mantida na câmara de aquecimento. Após a conclusão do aquecimento das fases, todos os componentes na fase austenítica estarão na mesma temperatura.
Queimadores eficientes – como o queimador Recon III da Ipsen – podem evidenciar o aquecimento dos fornos por batelada. Estes queimadores são tubos recuperativos com um único fim (SERT: Single-Ended Recuperative Tubes) equipado com tubos internos de cerâmica especial. Estes queimadores aumentam a eficiência térmica em até 75%, simplesmente pela recuperação do calor dos gases de exaustão e a redução do tempo para recuperar a temperatura da zona quente. Notáveis pelo seu baixo nível de ruído, sua alta durabilidade, baixa manutenção e fácil instalação, estes queimadores modernos fornecem um aquecimento ideal ao mesmo tempo em que otimizam o consumo de gás. A confiança vem dos excelentes projetos de fornos. Um exemplo disto é que se um queimador estiver fraco no meio de um ciclo, os demais queimadores se adaptarão e farão a compensação de forma que uma uniformidade excelente ainda possa ser atingida em todo o forno.
Entretanto, é importante compreender que, para ser atingida a uniformidade de temperatura, é necessário melhorar o fluxo de gás sobre os componentes. Você precisa ter um sistema de circulação bem planejado para se atingir um fluxo excelente em torno dos componentes e, assim, manter a uniformidade de temperatura.
Uniformidade dos Gases
As propriedades convectivas positivas que resultam em uma uniformidade de temperatura excelente dentro da área de carga também resultam em uma melhor transferência de calor para a carga e em uma atmosfera de processo homogênea. A Fig.1 descreve como a combinação de um desvio mínimo de temperatura dentro da área de carga e uma atmosfera homogênea de processo resultam em uma minimização do desvio de profundidade por toda a carga.
A introdução contínua do gás transportador e adições controladas de gás enriquecido resultam em um forno de atmosfera capaz de produzir peças cementadas com a porcentagem especificada de carbono na superfície e com a profundidade de camada especificada com resultados altamente repetíveis (Fig.2).
Softwares de controle intuitivo, como o sistema da Ipsen Carb-o-Prof, podem ajudar na manutenção do balanço pela regulagem, documentação e arquivamento dos processos de cementação em forno de atmosfera. Não importa o caso – se o gás de potência escapa ou algum outro evento indesejado ocorre, o software é capaz de adaptar o processo para as circunstâncias alteradas, prevenindo o descarte em potencial de peças e recursos. Mesmo antes do processamento real da carga, os usuários são capazes de gerar uma receita potencial e rever imediatamente os resultados do processo utilizando um software de simulação avançado.
Especificamente, o software monitora e controla a uniformidade do nível de C dentro da atmosfera, a qual, por meio de supervisão, mantém uma tolerância de ± 0,05% C para o teor de carbono na superfície da peça. Esta consistência do efeito de cementação da atmosfera resulta em uma cementação uniforme na camada superficial, como mostrado no exemplo da engrenagem na Fig.3.
Quando há um esforço em direção a uma cementação uniforme, é importante lembrar que a uniformidade de temperaturas e de distribuição do gás estão inter-relacionadas – é difícil alcançar um parâmetro sem influenciar o outro.
Muflas Cerâmicas
Os fornos de atmosfera por batelada possuem diversas características que ajudam a atingir a temperatura adequada e a uniformidade dos gases durante vários processos. Uma destas características é a mufla cerâmica, a qual é feita de carbeto de silício e pode otimizar o desempenho de todo o processo de tratamento térmico. Os fornos de atmosfera (por exemplo, o modelo ATLAS da Ipsen) utilizam as muflas cerâmicas para proteger a carga do aquecimento direto e facilitar a distribuição uniforme de temperatura por todo o material sendo endurecido.
A mufla propicia uma uniformidade de temperatura que é especialmente importante na camada endurecida porque controla a profundidade de penetração e a concentração de carbono. Além disso, a habilidade da mufla de fornecer uma circulação ótima e um fluxo direcional constante ajuda até mesmo no encharque da carga. Além das uniformidades de temperatura e de distribuição do gás, a próxima etapa crítica é a otimização dos processos de têmpera.
Otimização do Processo de Têmpera
Sistemas de têmpera mais antigos para fornos de atmosfera tinham pouca flexibilidade em relação à variação da intensidade de têmpera. A experiência mostra que há um potencial significativo para otimizar uma têmpera em óleo uniforme. A implementação destas técnicas produziu um endurecimento mais uniforme das peças – especialmente de componentes de engrenagem – com uma melhoria na microestrutura e redução na distorção.
As exigências atuais de adaptação da intensidade de têmpera em seus sistemas para as necessidades dos diferentes componentes – especificamente a temperabilidade e minimização da distorção – levaram também ao aumento da produção de produtos de qualidade.
Têmpera em Óleo
Os sistemas modernos de têmpera em óleo (por exemplo, o SuperQuench) têm um sistema de agitação abrangente, permitindo a produção de um fluxo de óleo uniforme por toda a seção da carga e utiliza um ajustador de velocidade do fluxo de óleo. Com a utilização dos agitadores com controle de tempo, a curva de resfriamento do SuperQuench pode atingir resultados próximos aos de uma curva de resfriamento ideal (Fig.5). Esta característica aumenta a eficiência e a flexibilidade dos sistemas de têmpera em óleo e faz com que seja possível o endurecimento de materiais de baixa liga e de seções transversais mais grossas.
Além disso, a realização de ciclos de têmpera complexos é procedida facilmente com o software de controle adequado. Um ciclo de têmpera é estabelecido dentro do software pela avaliação do tamanho da seção, tipo de material, densidade da carga, temperatura e tipo de têmpera em óleo.
Velocidade de Têmpera Ideal e Extração de Calor
O objetivo de uma extração de calor uniforme sobre toda a superfície da peça somente pode ser alcançado com um fluxo uniforme de óleo ao redor de toda a peça. Ao mesmo tempo em que esta situação é possível com peças simples, é muito difícil com peças de geometria complexa. Entretanto, isto ainda pode ser atingido com um sistema de têmpera eficiente.
É importante estar alerta à fase vapor, também comumente conhecido como efeito Leidenfrost. Este efeito ocorre quando um líquido, que está em contato próximo com uma massa significativamente mais quente que seu ponto de ebulição forma um filme de vapor isolante, impedindo o líquido de entrar em ebulição rapidamente. Então, conforme o filme de vapor se quebra de forma aleatória, a nucleação de fase vapor se inicia e é caracterizada por uma taxa de resfriamento rápida. O estágio final é a fase convectiva.
Uma forma de prevenir as dificuldades associadas com a fase vapor é a utilização de um meio de têmpera que não evapore, como os sais ou gás. Entretanto, as suas taxas de resfriamento na região de temperatura mais alta, geralmente, não são suficientes para os aços baixa liga ou aços carbono. Portanto, o objetivo precisa ser otimizar a têmpera em óleo de tal forma que ela reproduza uma curva de resfriamento ideal.
Assumindo-se o uso de uma têmpera em óleo de alto desempenho – como é normal nos fornos selados atuais – quanto mais alta a velocidade do fluxo de óleo mais facilmente será atingida uma taxa de resfriamento alta e uniforme em toda a área superficial da peça. Estas velocidades aceleram a quebra do filme de vapor nas áreas de menor fluxo, produzindo uma têmpera mais rápida e mais uniforme.
As velocidades mais altas do óleo melhoram de forma significativa a uniformidade da extração de calor. Dependendo da espessura da peça e da temperabilidade do respectivo aço, a influência da velocidade do fluxo pode também resultar em consequente melhora na qualidade da peça.
Reduzindo as Distorções
Os objetivos de uma têmpera otimizada para diminuir as distorções são, geralmente, definidos como se segue:
• Extração de calor uniforme sobre toda a superfície da peça;
• Extração de calor uniforme em todas as peças dentro de uma carga;
• Adaptação do tempo para o material e para a peça para controlar a intensidade de têmpera.
Estes objetivos são realizados por todo o ciclo de têmpera. A primeira parte do ciclo de têmpera utiliza um máximo fluxo de óleo, de forma que a quebra do filme de vapor ocorre rapidamente e há, então, uma alta extração de calor devido à nucleação da fase de ebulição – tudo isso previne a produção de ferrita e perlita. A segunda parte do ciclo de têmpera tem taxas de resfriamento reduzidas para permitir a homogeneização da temperatura entre a superfície e o núcleo antes que a transformação martensítica seja iniciada. Isto equaliza as tensões térmicas e de transformações de fases, produzindo, assim, menos distorções. Assim como a Fig.6 demonstra, este sistema inovador permite que seja atingido um desempenho otimizado e que sejam produzidos componentes de maior qualidade quando comparados aos submetidos ao banho em óleo convencional.
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SuperQuench® – Aumentando Produtividade, Reduzindo a Variação da Dureza
Independentemente se você está temperando uma carga a granel ou muito densa, o sistema SuperQuench da Ipsen lida até mesmo com as ligas mais desafiadoras, reduzindo a variação dos valores de dureza e aumentando a produção como um todo das peças. Com propulsores maiores, motores de acionamento mais fortes e dispersadores otimizados, ele proporciona o banho em óleo para o tratamento térmico de uma ampla variedade de classes de aços, incluindo aços baixa liga. Além disso, em cada agitador individual foi alocado um sistema de controle de fluxo individual, de forma que toda a carga será temperada de forma confiável, uniforme e rápida – tudo isto contribui para uma melhoria na distribuição de dureza e qualidade das peças.
De uma maneira geral, o sistema SuperQuench produz fluxos de óleo maiores com melhoria da velocidade. A flexibilidade do sistema permite que o fluxo de óleo seja adaptado para o tamanho da seção, material e densidade da carga a ser temperada. Para a obtenção de resultados de tratamento térmico ótimos, a velocidade do fluxo não é mantida constante durante todo o ciclo de têmpera, mas segmentado, em quantas etapas forem necessárias. Outros pontos fortes do SuperQuench incluem sua contribuição para o endurecimento uniforme, a redução na distorção e a velocidade de têmpera e extração de calor otimizadas.
Endurecimento Uniforme dos Componentes
O motor de cada agitador é equipado com um acionador com frequência variável, permitindo o ajuste da velocidade para cada motor, separadamente, na faixa de 10 a 60 Hz. Dependendo da viscosidade do óleo, é possível a operação dos motores até 60 -70 Hz por um período de tempo limitado.
Como o fluxo de óleo está basicamente restringido à área da carga, por meio da utilização de dispersadores nos quatro lados da carga no tanque de óleo, é mantido um fluxo de óleo alto – mesmo com cargas muito densas. Este fluxo alto de óleo resulta em uma velocidade do fluxo de óleo uniforme entre a área do topo e da base da carga, incluindo os que estão no topo da bandeja. Assim, a utilização do processo SuperQuench reduz as variações nos valores de dureza ao mesmo tempo em que aumenta a produtividade dos fornos de têmpera selados, isto porque, mais bandejas podem ser utilizadas em cada carga. Em aplicações práticas, é possível atingir um aumento de até 50% na produtividade (quando comparado ao forno de têmpera selado com o sistema padrão de têmpera em óleo).
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Carb-o-Prof® – O Seu Próprio Metalurgista Eletrônico
O Ipsen Carb-o-Prof combina mais de seis décadas de conhecimento e expertise em um único sistema de controles. Ele foi especialmente projetado para a computação e execução dos ciclos completos de cementação e têmpera, bem como de outros processos de tratamento térmico.
De uma forma geral, ele fornece a flexibilidade necessária para medir e analisar o seu equipamento e os processos com facilidade. Você pode então utilizar estas análises para refinar e ajustar as definições e parâmetros do seu equipamento para melhorar o seu processo, melhorando, assim, a qualidade das suas peças.
Este software consiste de controles flexíveis, avisos diretos aos usuários e menus coloridos, feito para uma experiência amigável. Outras características incluem um extenso banco de dados de receitas, um controle adaptável de perfil de C e uma função para simular uma economia de tempo e custo.
Banco de Dados de Receitas
Programado com centenas de receitas disponíveis, os bancos de dados permitem que as informações mais importantes da receita sejam registradas de forma rápida e com uma única entrada. Erros nas entradas podem ser prevenidos por meio de uma limitação apropriada da faixa de entradas, desse modo, mantendo uma operação segura e evitando consumos excessivos. Como resultado, as receitas são geradas de uma forma simples e consistente que foca nos resultados de cementação/dureza e previne erros de entrada.
Simulação da Otimização do Perfil de C
Uma característica padrão do Carb-o-Prof é a sua função de simulação. Essencialmente, ele computa o perfil de carbono esperado para o material de acordo com os parâmetros de entrada e mostra os resultados, tanto na forma de tabelas como de gráficos diretos (Fig.4).
O perfil pode, então, ser reavaliado e os parâmetros ajustados, se necessário. De uma forma geral, isto dá ao usuário a habilidade de rever os resultados dos processos para uma carga específica imediatamente após ter gerado uma receita em potencial – tudo sem ter que realizar uma corrida real. Devido ao fato de que não é necessária uma corrida com uma carga teste, não serão desperdiçados peças valiosas, tempo e recursos.
Controle do Perfil de C
Utilizando parâmetros objetivados pré-especificados, como o teor de carbono na superfície, a profundidade de cementação e/ou teor de carbono no núcleo, o Carb-o-Prof é capaz de definir uma curva do teor de carbono objetivado na forma de um S suave. Como um resultado, peças dentro de uma mesma carga são compatíveis tanto em profundidade de camada quanto em dureza.
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Conclusão
Quando se realiza a cementação ou endurecimento completo e a têmpera de peças em fornos de atmosfera por batelada, é essencial que seja atingida uma uniformidade de temperatura e dos gases, que sejam otimizados os componentes relacionados ao fluxo de gás e que sejam objetivadas velocidades de têmpera e extração de calor ideais fazendo uso dos vários sistemas de alto desempenho. Isto permite que sejam produzidas peças de qualidade mais alta, com redução da distorção, bem como que sejam alcançados custos de produção, como um todo, competitivos via tratamento térmico.
Além disso, por meio da utilização de tecnologia moderna – como os sistemas Carb-o-Prof e SuperQuench, muflas cerâmicas e queimadores Recon III – podem ser atingidos resultados finais ideais quando se realiza os processos de cementação, endurecimento completo ou têmpera. No final, este projeto aprimorado e o controle de tais tecnologias permite que você impacte o seu processo de forma positiva, bem como utilize as dicas fornecidas para produzir peças de qualidade.
