O aumento da demanda por engrenagens grandes e de alta precisão necessita de equipamentos especializados para o tratamento térmico. Além do tamanho, as necessidades de uma exatidão metalúrgica e de repetição nos parâmetros de processo afetam a seleção do forno
A maioria das engrenagens grandes é processada em fornos do tipo poço ou grandes fornos de batelada com têmpera integrada. A cementação a vácuo não é utilizada comumente porque seções transversais grandes, da maioria das ligas utilizadas, não podem ser temperadas de forma eficaz com o gás pressurizado. A Stack Metallurgical Services em Portland, Oregon, instalou um forno de cementação a vácuo com têmpera em óleo capaz de processar grandes engrenagens. O controle preciso dos gases de processo, o aquecimento uniforme e a repetibilidade do processo fazem com que a cementação a vácuo seja uma excelente escolha para aplicações de engrenagens.
Características dos Fornos
Este forno a vácuo, com duas câmaras de cementação com baixa pressão e com têmpera em óleo, foi produzido pela SECO/WARWICK. A capacidade de carga é de 1,8 m de comprimento x 1,8 m de profundidade x 2,0 m de altura com um peso total de carga de 4.500 kg. As cargas são suspensas e não são colocadas na soleira. Os processos são controlados por PLC (Controlador Lógico Programável) e são altamente reproduzíveis. A zona quente é isolada por 50 mm de grafite, permitindo a operação em temperaturas de até 1.060°C e produzindo uma uniformidade de ± 15°C em temperaturas entre 600 e 1.060°C. Os gases de processo são introduzidos através de medidores de fluxo de massa, dando um controle muito preciso do ambiente de cementação.
A têmpera é realizada em um tanque de óleo de 36.000 litros. O sistema de agitação foi atualizado com quatro motores adicionais para melhorar o fluxo de óleo e fornecer a remoção de calor adequada para grandes cargas. Um fluxo uniforme de fluido é algo crítico para a têmpera uniforme de toda a carga. Devido a todo o forno estar sob vácuo durante a têmpera, a perda de calor é mínima durante a transferência da carga e a condição da superfície das peças não é degradada.
Vantagens da Cementação a Vácuo
A cementação a vácuo é um processo de não-equilíbrio que utiliza uma série de impulsos e ciclos de difusão para introduzir carbono na superfície de uma peça. A composição do gás de processo é cuidadosamente controlada para corresponder às exigências de cada liga e de profundidade de camada. São vantagens deste método a ausência de oxidação intergranular, a uniformidade da camada e a previsibilidade do processo.
Oxidação Intergranular
A oxidação intergranular da superfície (IGO – intergranular oxidation) é causada pelo oxigênio presente durante o ciclo de cementação. Isto cria defeitos na superfície que podem ser sítios para a iniciação de trincas (Fig. 1). A maioria das normas práticas exige uma operação de pós-tratamento térmico na raiz do dente de engrenagem, tipicamente retífica ou shot peening. A cementação a vácuo elimina a IGO. O ar é bombeado para fora do forno antes do aquecimento e da cementação, minimizando a presença de oxigênio durante o processamento. Isso resulta em maior integridade da superfície da camada cementada e melhora a resistência ao desgaste e à fadiga. A usinagem pós-tratamento térmico ou shot peening das raízes dos dentes de engrenagem pode ser reduzida ou eliminada.
Uniformidade da Camada
A cementação a vácuo proporciona uma excelente uniformidade de camada para geometrias complexas. Em um forno endotérmico padrão, as peças são introduzidas no forno com a presença de gás de cementação e com o forno em uma temperatura elevada. Conforme a carga é aquecida, as seções mais finas das engrenagens, nas pontas dos dentes, atingem a temperatura de cementação bem antes das seções mais espessas, raízes dos dentes. Isto produz uma grande variação na profundidade da camada ao longo do perfil do dente.
Durante a cementação a vácuo as peças são aquecidas a uma temperatura uniforme antes dos gases do processo serem introduzidos. Como resultado, várias execuções processadas utilizando o mesmo conjunto de parâmetros produz uma gama muito estreita de profundidades de camada. Uma série de corridas com camada cementada objetivada de 2,5 mm teve uma variação de 0,18 mm a -0,13 mm, a qual é muito menor do que as variações obtidas nos processos com gás endotérmico padrão (Fig. 2). A relação de profundidade de camada da raiz da engrenagem para o flanco é melhorada para 90%, enquanto nos métodos convencionais esta relação atinge de 65 a 70%. A resistência mecânica mais alta na raiz para uma determinada profundidade de camada no flanco pode ajudar a melhorar o projeto da engrenagem como um todo ou reduzir o tempo de processo de tratamento térmico para um determinado requisito de projeto. Além disso, pode ser mantida uma dureza elevada na profundidade da camada (Fig. 3).
A Stack está utilizando um programa de simulação para o desenvolvimento do processo. Todos os parâmetros do processo, incluindo a composição química dos materiais, podem ser ajustados. Um dado requisito de camada pode ser simulado com numerosas alterações de parâmetros antes que o teste com a primeira carga seja realizado. Os resultados do teste podem então ser utilizados para ajustar a simulação, permitindo que o programa preveja com precisão os resultados para um determinado forno e liga. O desenvolvimento do processo de novas ligas e profundidades de camada é reduzido, o que melhora os prazos para o tratamento térmico.
Os controles do forno permitem que os parâmetros do processo sejam precisos para uma liga específica. Isso produz consistentes previsões sobre as propriedades mecânicas na camada, controle da presença e tamanho de carbonetos e um controle preciso do teor de carbono. Uma melhora na consistência e controle pode resultar na melhoria da resistência à fadiga.
Previsibilidade do Processo – Distorção
O controle da distorção de peças complexas, como engrenagens, é o maior desafio para o tratador térmico. O aquecimento e resfriamento simétricos são críticos para minimizar o movimento de uma peça durante o processamento. As tensões residuais, a uniformidade da liga, o histórico térmico prévio e práticas de usinagem, todos contribuem para o resultado final, mas não são controlados pelo tratador térmico. Os fabricantes de engrenagens podem ajudar a diminuir a distorção em suas peças entendendo como reduzir cada um desses fatores antes de enviá-los para o seu tratador térmico. No entanto, o projeto do processo, fixadores, uniformidade do forno e têmpera devem ser cuidadosamente considerados e controlados pelo tratador térmico, para minimizar ou reduzir a distorção.
Uma característica única deste tipo de forno é a eliminação da soleira. A carga é suspensa durante o processamento, o que proporciona vantagens e desafios. O projeto dos fixadores permite que as peças entrem em contato com o óleo de resfriamento sem criar turbulência excessiva, proporcionando um fluxo de têmpera e remoção de calor muito uniformes. Componentes específicos de fixação propiciam a melhor oportunidade para temperar a peça com sucesso. Por exemplo, a parte plana em uma engrenagem de 810 mm de diâmetro melhorou de uma perda total de 2,5 mm para menos da metade. A ovalidade também foi mantida dentro de limites altamente aceitáveis (Fig. 4).
A mudança de tamanho é uma parte inevitável do tratamento térmico. Quando uma engrenagem é cementada e o material se transforma em martensita (estrutura molecular do aço temperado), o volume do aço aumenta em proporção ao carbono presente. Isto provoca uma alteração de tamanho que afeta a distorção global. Se a peça for cementada uniformemente ao longo de toda a superfície a distorção resultante é minimizada. Geometrias complexas, como as engrenagens, são difíceis de serem cementadas de forma uniforme em fornos convencionais endotérmicos. Assim, a distorção pode ser maior.
Sumário
A cementação a vácuo (em baixa pressão) oferece muitas vantagens para o processamento de engrenagens grandes. Estas vantagens incluem um controle preciso dos gases do processo para a eliminação da oxidação intergranular, e o aquecimento uniforme fornece consistência na camada cementada. A natureza de repetibilidade e uniformidade do processo de cementação a vácuo resulta em um processo previsível com a mínima distorção da geometria complexa de uma engrenagem. IH
Para mais informações, contate: Nels Plough, presidente/gerente geral, Stack Metallurgical Services, Inc, 5938 N. Basin Avenue, Portland, 97217-0176, EUA; tel: +1 503-285-7703; fax: +1 503-285-2785; e-mail: nels@stackmet.com; web: www.stackmet.com.
