Muitos desenvolvimentos estão sendo realizados em relação à tecnologia da cementação e diversos artigos têm sido escritos a este respeito. Entretanto, nós sentimos que é importante relembrar aos novos engenheiros as regras básicas que justificam o forte desenvolvimento deste processo
A cementação é definida simplesmente como a adição de carbono ao ferro, ou ao aço, por meio de aquecimento na presença de carbono para endurecer a superfície de um componente. Dependendo da formulação metalúrgica, a dureza pode variar com a quantidade de carbono. Este processo pode ser realizado tanto em um forno convencional (atmosfera) quanto em um forno de cementação sob baixa pressão (vácuo) LPC (Low-Pressure Carburizing).
Forno Convencional (Atmosfera)
A cementação convencional é um processo de atmosfera controlada com controle do potencial de carbono. A cementação convencional é um método popular, o qual utiliza uma tecnologia antiga, porém, confiável. Esta tecnologia comprovada é o instrumento de pioneirismo no processo de cementação para muitas indústrias.
Econômico e custo efetivo, este forno permanece estável devido ao seu processo, o qual produz uma profundidade de camada cementada constante, como resultado do controle preciso do gás endotérmico. Esta mistura entre gases hidrocarbonetos e ar fornece o potencial de carbono (CO) necessário para o processo de cementação. Devido à presença de oxigênio na atmosfera, há riscos de oxidação intergranular (IGO – Intergranular Oxidation), de descarbonetação e de formação de carepas nas superfícies das peças tratadas. O controle constante do potencial de carbono e a relação de gases hidrocarbonetos, hidrogênio e nitrogênio asseguram que não ocorra deterioração nas superfícies.
As principais características da cementação convencional são:
• Injeção permanente da mistura de gás endotérmico na pressão atmosférica em fornos de batelada ou convencionais;
• Mesmo nível de quantidade de carbono no forno;
• O comprimento do forno (forno convencional) ou a duração do ciclo (forno de batelada) estão relacionados com a necessidade de profundidade de camada.
Forno de Cementação sob Baixa Pressão
A cementação sob baixa pressão (LPC) é realizada sem a presença de qualquer oxigênio e sem a injeção de gás cementante (por exemplo, acetileno). O processo LPC é escolhido pelo seu controle rígido de processo, repetibilidade, metalurgia otimizada e tempo de ciclo mais curto, em temperaturas mais altas, quando comparado com a cementação atmosférica.
O desenvolvimento de uma nova tecnologia cementante para novas aplicações requer um entendimento dos processos padrões. O processo LPC é um processo de tratamento térmico o qual utiliza um elevador de pressão (boost) alternativo para os gases cementantes e neutros de forma a não ocorrer a oxidação intergranular. Este processo também fornece uma profundidade de camada uniforme e homogênea graças ao controle preciso durante o desenvolvimento da “receita” do processo. O objetivo é desenvolver receitas para a cementação em temperaturas mais elevadas e com maior capacidade de enriquecimento sem afetar as propriedades do material.
As principais características do LPC são:
• Craqueamento térmico do hidrocarboneto em baixas pressões (7 a 13 mbar) em um forno sob vácuo de paredes frias;
• Injeção (boost) alternativa de gases hidrocarbonetos (cementantes) e do gás neutro (difusão);
• O número e a duração das etapas são determinados pela profundidade de camada desejada.
Ao mesmo tempo em que as tecnologias mais antigas são mais familiares, há diversos benefícios relacionados com as novas e avançadas tecnologias do LPC. A tecnologia mais recente da cementação sob vácuo é baseada no enriquecimento em carbono da superfície pelo craqueamento de um único gás cementante (tipicamente o propano ou o acetileno) em baixas pressões. Assim, o vácuo apresenta a vantagem de melhorar a absorção de carbono. Esta absorção de carbono é simulada durante a validação do processo e é rastreada a cada vez que a receita é realizada.
Princípios do LPC com Infracarb® e CBPWin®
A tecnologia ICBP® da ECM para fornos LPC utiliza o processo patenteado de Infracarb®. O Infracarb consiste em uma injeção alternativa de hidrocarbonetos (C2H2 ou C3H8), a qual enriquece a superfície ao quebrar a molécula em altas temperaturas e na injeção de um gás neutro (N) para a difusão.
O objetivo é manter um alto nível de concentração de carbono monoatômico – obtido após a dissociação do gás reativo na superfície da peça – sem atingir o limite de solubilidade de carbono no aço (ou seja, sem acumulação de fuligem). Assim, o limite da reação é altamente superior àquele obtido na atmosfera cementante convencional baseada no balanço CO/CO2, ao mesmo tempo em que é menos suscetível às mudanças atmosféricas. Sem a necessidade de considerar o potencial de carbono na cementação sob baixa pressão, a necessidade de um controle in-situ é eliminada, tornando o processo mais fácil.
O processo Infracarb assegura um controle preciso dos parâmetros físicos simples para a obtenção de resultados ótimos: temperatura, duração das fases de injeção do gás, fluxos e pressões. A temperatura do processo é, geralmente, mais alta do que a dos processos de cementação tradicionais – 880 a 1.050°C. O tempo do ciclo pode ser reduzido em até 50% dependendo da profundidade da camada. O acetileno (C2H4) – utilizado para o LPC – e o nitrogênio (N) – utilizado para a difusão – são os gases mais comuns utilizados nos processos sob condições padrões.
O acetileno é um gás de síntese e a sua pureza pode ser controlada, fornecendo uma reatividade química excepcional (a taxa de dissociação é acima de 60%). Isto permite que peças bastante complexas, como os componentes de injeção a diesel, possam ser cementadas. Além disso, ele não é muito sensível às possíveis heterogeneidades de lavagem antes do tratamento e previne a ocorrência de áreas moles. Podem ser cementadas áreas superficiais grandes e tem um alto efeito de enriquecimento. O número e a duração das etapas dependem da profundidade de camada cementada necessária. Simulações utilizando o Infracarb permitem um ajuste preciso dos parâmetros da receita para atingir o controle perfeito da profundidade cementada.
Vantagens do LPC em Comparação com os Fornos Convencionais
Os fornos LPC utilizam uma tecnologia de parede fria de forma que a superfície exterior do forno permanece com baixas temperaturas, reduzindo a quantidade de calor emitida para o interior da planta. Sem a presença de qualquer tipo de chama ou de parede quentes, os fornos podem estar localizados no meio de uma área com maquinários dentro de uma planta. Isto permite um fluxo melhor das peças e elimina a necessidade de uma porta à prova de fogo fechando a área de tratamento térmico (Figs.2 e 4).
Com a tecnologia de parede fria, os perigos específicos relacionados com a tecnologia de parede quente, como chamas abertas e superfícies quentes, também são eliminados. Além disso, as plantas não necessitam de sistemas de ventilação para se livrarem dos gases da queima. Por estas razões, o forno LPC ocupa menos espaço no chão de fábrica e, especialmente, permite uma movimentação mais rápida das peças.
As preocupações de segurança em relação ao uso do acetileno também são mais fáceis de lidar. Os fornecedores de acetileno, agora, oferecem soluções com sistemas à prova de explosão confiáveis e de prevenção ao fogo. Como não são necessários gases endotérmicos, não há preocupações em relação ao monóxido de carbono.
A grande vantagem de um forno LPC é a redução do tempo de ciclo utilizando temperaturas de cementação mais altas. Algumas peças produzidas agora são cementadas a 1.030°C, reduzindo o tempo de cementação em aproximadamente 75% e novas tentativas estão sendo realizadas em temperaturas ainda mais altas.
A modularidade do equipamento também fornece vantagens. Todas as câmaras são independentes, o que significa que diferentes ciclos podem ser realizados em diversas temperaturas em cada uma delas. É fácil adicionar novas câmaras em um forno LPC para aumentar o volume de produção como um todo, considerando que um forno convencional é limitado ao seu número de câmaras original. Além disso, é simples desligar algumas câmaras de tratamento em tempos de queda de produção, enquanto os fornos convencionais precisam trabalhar com capacidade completa mesmo sem carga completa.
A eficiência e a economia com energia são vantagens adicionais de um forno LPC. A tecnologia a vácuo é a mais eficiente com somente 35 kW para manter 1.000 kg de aço na temperatura. A utilização de gás é tremendamente reduzida devido à forma mais eficiente de sua utilização. Os fornos LPC podem estar prontos para a produção em um tempo tão curto como 90 minutos e cada câmara pode ser ligada ou desligada a qualquer momento e estar pronta para a produção em 30 minutos.
Finalmente, o forno LPC é tão similar a um centro de usinagem que ambos podem ser operados e mantidos por um mesmo grupo. Todo o controle do processo é realizado pelo equipamento, sem a necessidade de controlar o potencial de carbono ou o ponto de orvalho. Os sistemas de controle de tempo, de temperatura e de fluxo são as únicas variáveis do processo. A manutenção de um forno LPC é mais simples, com menos perigo e com menor necessidade de espaço para áreas confinadas. Com o aquecimento somente elétrico, o sistema não necessita de um especialista para a queima e as ferramentas de manutenção padrão podem lidar com os problemas do equipamento.
Conclusão
Há diferenças significativas entre um forno convencional e um forno LPC. A cementação sob baixa pressão realizada em fornos a vácuo com paredes frias oferece muitas vantagens quando comparada com a cementação atmosférica convencional tradicional: não há oxidação, há melhor homogeneidade de cementação, há excelente reprodutibilidade de processamento de carga para carga, há um estreitamento das tolerâncias metalúrgicas (como a profundidade cementada) e, finalmente, controle da dureza do núcleo.
O processo LPC respeita os padrões ambientais apresentando reduções na emissão de CO2 significativas e nos produtos químicos perigosos. Em uma indústria em constante mudança, estar familiarizado com as tecnologias mais novas puxará sua produção para desempenhar o seu melhor e atender às suas demandas por aumento de produtividade e qualidade maior das peças.
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Cementação sob Baixa Pressão de Peças Sinterizadas
O processamento de peças produzidas por metalurgia do pó (MP) tipicamente necessita de 4 etapas: deceragem, sinterização em altas temperaturas, cementação e endurecimento superficial. O tratamento de cementação convencional é tipicamente realizado em fornos de atmosferas dedicados para sinterização e tratamento térmico, respectivamente, o qual necessita de uma operação de manuseio intermediária e de ciclos de aquecimento e resfriamento repetidos.
Testes conduzidos pela Höganäs AB em um forno industrial (veja a figura) indicam que o forno a vácuo de batelada multipropósitos é capaz de realizar todas estas etapas em um único ciclo. O forno compreende duas câmaras – uma célula de aquecimento e uma célula com gás de têmpera – separadas por uma porta intermediária à prova de vazamentos e isolante. Os múltiplos benefícios trazidos por esta tecnologia melhoram a qualidade e economizam dinheiro. Eles incluem a integridade do vácuo ao longo de todo o ciclo (evitando a oxidação), não há limitação para a temperatura de sinterização, repetibilidade do processo, flexibilidade quanto ao gás de têmpera, economia de energia (sem reaquecimento) e benefícios ambientais.
O principal objetivo é utilizar esta tecnologia para a fabricação de grandes cargas de engrenagens de transmissão utilizando a metalurgia do pó.
Cementação
A ausência do manuseio entre as operações no forno multipropósitos garante que as peças não serão afetadas por contaminação ou danos entre a sinterização e o tratamento térmico. Frequentemente, os fornos de batelada são utilizados para a cementação de peças de MP.
O enriquecimento em carbono é controlado pelos sensores de O2 ou pela relação CO/CO2. No novo forno, a etapa cementante é completamente controlada pelo Infracarb® (discutido neste artigo).
A profundidade da camada e o perfil de carbono são simulados e adaptados para materiais porosos. O processo de cementação sob baixa pressão pode ser realizado em qualquer temperatura até 1.050°C. O enriquecimento em carbono e o tempo para a difusão podem ser controlados separadamente para que seja atingida a microestrutura desejada. O ciclo é encurtado e a difusão é mais rápida do que nos fornos de atmosfera cementante. Além disso, não há oxidação interna das peças.
Têmpera
A têmpera a gás permite alta flexibilidade e maior repetibilidade dos resultados do que a têmpera em óleo, porque não há ebulição ou formação de vapor ao redor das peças. As peças saem limpas dos fornos e não é necessária a operação de limpeza.
O principal fato de economia vem do fato das etapas de cementação e de têmpera a gás serem realizadas in-situ no equipamento de deceragem e sinterização. A alta modularidade e a pequena área utilizada pelo forno também são vantagens.
O Que Isso Significa Para as Peças de MP?
Estudos concluíram que a cementação sob baixa pressão é muito conveniente para o controle dos parâmetros do processo sem oxidação. Foram encontrados resultados positivos no controle do perfil da camada e no controle da dureza do núcleo com base na quantidade de carbono e variação da velocidade de resfriamento. O forno multipropósitos oferece potencialmente uma melhoria em cada etapa da produção no processo de MP. Ele será a ferramenta para otimizações seguintes para melhorar propriedades mecânicas como resistência à fadiga, redução de distorções e validar o processo como um todo para a produção de engrenagens de alto desempenho produzidas por metalurgia do pó.
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Para mais informações: Dennis Beauchesne, gerente-geral, ECM-EUA, Inc., 8920-58th Pl Ste 100, Kenosha, W.I. – EUA. 53144; tel: +1 262-925-6321; fax: 262-605-4814; e-mail: dennisbeauchesne@ecm-usa.com; web: www.ecm-usa.com. Contato no Brasil pelo e-mail: ralph@industrialheating.com.br ou telefone: (19) 3854-6699.
