Técnicas de monitoramento, controle e registro de parâmetro de processo térmico são fatores importantes para a utilização dessa tecnologia
A tecnologia a vácuo de aquecimento e resfriamento de metais tem curva de crescimento mundial de utilização, principalmente no Brasil, conforme último senso realizado pela revista Industrial Heating, abr-jun, 2013. Técnicas de monitoramento, controle e registro de parâmetros de processo térmico e zero emissão de poluentes são fatores importantes para a utilização dessa tecnologia com vistas a se produzir os melhores resultados de propriedades mecânicas da liga ferrosa. O processo térmico de aquecimento e resfriamento “rápido” de ligas ferrosas de alto teor em liga para se obter, preferencialmente, a microestrutura martensita utilizando a tecnologia de vácuo esta consagrado na literatura técnica e nos catálogos de fabricantes de aços e de fornos com o nome de “Têmpera a Vácuo”.
A denominação “têmpera a vácuo” é utilizada mundialmente, porém não refletiria corretamente este processo térmico. O resfriamento tem início a partir de uma temperatura denominada “temperatura de austenitização” quando o ambiente da câmara do forno esta em “vácuo”, geralmente da ordem 10-2 mmbar, e nesta etapa é introduzido um gás, ou mistura de gases, nitrogênio, ou nitrogênio e hélio, ou ainda nitrogênio e argônio sob pressão que pode alcançar o máximo previsto pelo projeto do forno. Dessa forma, para ser exato, o nome dessa técnica moderna de resfriamento a que todos se referem como “têmpera a vácuo” deveria ser “têmpera com gás, ou mistura de gases, sob pressão”. O nome “Têmpera a Vácuo” está consagrado na indústria e utilizado neste texto.
O Equipamento [1]
O equipamento utilizado para a têmpera a vácuo é sofisticado e composto de vários e importantes elementos. A câmara do forno é constituída de chapa de aço carbono com pequena variação na composição química para melhorar determinadas propriedades mecânicas, por exemplo, resistência à tração e desgaste. Essa câmara do forno pode ser comparada a uma “panela de pressão” com dupla parede de aço onde no interior corre a água do sistema de refrigeração de maneira a manter a parede externa do forno em temperatura inferior a 40ºC e a interna na temperatura máxima do projeto do vaso de pressão. Quando a energia utilizada para aquecer o aço da peça no interior da câmara é suspensa, a extração do calor da etapa seguinte ocorre através de gás, ou mistura de gases, inerte sob pressão. A Fig. 1 apresenta um corte longitudinal do forno de têmpera a vácuo que permite visualizar os constituintes mais importantes do equipamento.
O equipamento forno “têmpera a vácuo” é constituído basicamente por:
• Vaso de pressão em corpo cilíndrico com dupla parede, por onde recircula água de resfriamento da carcaça;
• Sistema de vácuo formado por duas bombas em série, sendo uma de “palhetas” e outra de “lóbulos”;
• Câmara de aquecimento, ou retorta, composta por uma estrutura metálica de aço resistente ao calor onde se encontra montado em sua parte interna o isolamento térmico de grafite;
• Sistema de aquecimento composto por resistências de grafite;
• Sistema de resfriamento composto por trocador de calor em tubos aletados de cobre ou aço carbono, montado internamente ao forno e externamente à câmara de aquecimento;
• Recirculador de atmosfera de grande potência;
• Painel de controle e registro de processo.
Princípios de Funcionamento
Introduz-se a carga no interior do equipamento através de uma empilhadeira. A carga é apoiada em dois ou mais trilhos de grafite suportados por colunas também de grafite que descarregam o peso da carga diretamente na carcaça metálica. Fecha-se o forno e inicia-se a evacuação da câmara até um vácuo da ordem de 10-2 mmbar e em seguida introduz-se o gás nitrogênio N2 (operação esta denominada purga com vácuo, do inglês “purging”), quando então o aquecimento se inicia.
A transmissão de calor entre uma fonte quente e uma fonte fria em um meio gasoso se dá por dois processos: “radiação” e “convecção”. Pode-se demonstrar que a transmissão de calor por convecção é predominante até 750ºC e acima dessa temperatura por radiação.
Conhecendo-se a curva TRC do aço SAE 4340, tempo de incubação de 10 segundos e a taxa de resfriamento do processo de têmpera a vácuo – ver Capítulo I Manual do Tratamento Térmico -, conclui-se que não seria possível realizar a transformação austenita-martensita completamente utilizando a tecnologia a vácuo. Nesse caso, torna-se mandatório utilizar o resfriamento em óleo, ou banho de sal fundido. A transformação completa da reação austenita-martensita do aço SAE 4340 na tecnologia a vácuo poderia ocorrer em situações de peças de pequenas dimensões e sob elevada pressão de resfriamento com gás inerte ou mistura de gases, por exemplo, nitrogênio+hélio, ou nitrogênio+argônio.
Por esse motivo, quando o forno atinge 750ºC é realizada nova evacuação até um vácuo da ordem de 10-2 mmbar, e o forno segue aquecendo até a temperatura de têmpera, ou temperatura de “austenitização” da liga ferrosa em questão.
Todo o processo é monitorado e controlado por dois termopares que estão montados em um corpo de prova que simula a espessura da peça. Atingida a temperatura de austenitização e contado o tempo de homogeneização de temperatura, o gás nitrogênio armazenado em “buffer” (tanque de nitrogênio gás) com pressão o dobro de projeto da câmara do forno, é injetado na câmara de aquecimento a uma pressão selecionável que vai de 0 até a pressão máxima de projeto do forno. Comercialmente, os fornos de têmpera a vácuo podem ser projetados para pressões da ordem de 2, 6, 10, 12, 15 e 18 bar absoluto.
A severidade do resfriamento é diretamente proporcional a pressão do gás N2. Mais pressão em um mesmo volume representa mais massa de gás para extração de calor. O nitrogênio é recirculado por um ventilador tipo “limit load” de grande potência, passando inicialmente pela carga e em seguida por um trocador de calor (normalmente fluxo cruzado gás/água) para a extração de calor do interior do forno. O gás resfriado volta ao interior da câmara de aquecimento onde retira calor da peça novamente, e assim continuamente, até o resfriamento final. Como o resfriamento na peça não é homogêneo, ou seja, a superfície se resfria muito antes do núcleo e para minimizar deformações e evitar trincas durante a transformação os equipamentos modernos disponibilizam recursos tecnológicos para reproduzir o processo térmico denominado “martêmpera”, ou “isothermal quenching”. Nesse caso, antes de se atingir a linha “Ms” (temperatura limite para o inicio da transformação em martensita), o gás é retirado do interior do forno e o recirculador passa para um estágio inferior de rotação com consequente diminuição da vazão. Quando o monitoramento pelos termopares de arraste no interior do forno, adequadamente colocados para medir as temperaturas de superfície e núcleo, indicar uma diferença de temperatura da ordem de 100ºC entre núcleo e superfície, o gás N2 é injetado novamente até a pressão original do processo de resfriamento e o recirculador acelera gradualmente até a rotação máxima, finalizando o processo de transformação completa da microestrutura. E normalmente o forno libera a abertura da porta quanto a temperatura da peça é, aproximadamente, inferior a 70ºC.
O Resfriamento [3]
O processo térmico “têmpera a vácuo” utilizado para ligas ferrosas com médio a alto teor de elementos de liga poderia, a priori, também ser substituído por técnicas de resfriamento ao ar (forçado, ou não) e produzir microestrutura martensita 100% até determinada espessura e outros microconstituintes, tais como, “bainita” e “perlita”. Para aplicações industriais bem específicas, o resfriamento em “ar forçado” (ventiladores) com equipamentos especialmente construídos, como pode ser visto em “Metals Handbook”[4], poderia ser utilizado em situações quando não fossem requeridas elevadas durezas e presente a exigência de se reduzir riscos de deformação. O resfriamento ao ar, forçado, ou não, é processo térmico denominado “normalização” e a capacidade extração de calor deste, gás nitrogênio sob pressão e óleo está mostrado na Fig. 2 [4].
Entre os gases de resfriamento que podem ser utilizados no forno a vácuo – nitrogênio, argônio, hélio e hidrogênio – o gás nitrogênio é o mais largamente utilizado, apesar de o Hidrogênio e Hélio apresentarem melhor eficiência de resfriamento que o Nitrogênio como mostrado na Fig. 3 [5]. O gás Hidrogênio é explosivo e acima de 1000ºC apresenta propriedades “descarbonetante” (retira carbono da superfície do aço para têmpera). O gás Hélio, por outro lado, é muito caro, economicamente quase inviável, e não facilmente disponível. Em situações bem especiais o gás Hidrogênio poderia ser adicionado ao gás Nitrogênio, mas sem ultrapassar 10% de concentração. O fator básico limitante para a utilização do gás nitrogênio sob pressão normal é o baixo potencial de resfriamento.
A circulação do gás de resfriamento sob pressão também tem sido melhorada, assim como trocadores de calor mais eficientes. Instalações mais modernas de gás de resfriamento têm sido utilizadas nos estudos teóricos e em numerosos experimentos. Utilizando a teoria termodinâmica, Hilpert determinou como o coeficiente de transferência de calor “a“ varia como função da pressão e fluxo da taxa de gás (velocidade do gás) estabelecendo uma relação simples [6].
a = (alfa . omega)mOnde omega é o fluxo de gás (velocidade do gás)p é a pressão do gásm é o expoente determinado empiricamente de valor entre 0,6-0,8
Assim, segue-se que o fluxo de gás e a pressão aumentam o valor do coeficiente “alfa” e, consequentemente, também a taxa de resfriamento. Isso é fisicamente compreensível que se a pressão e a fluxo de gás sofrem incremento também o número de partículas do gás em contato com a superfície do aço. Decorre também dessa expressão que a taxa de resfriamento dos gases não sofre incremento na proporção da pressão. O incremento na pressão, por exemplo, de 1 a 6 bar promove incremento de 3,5 na taxa de resfriamento e não 6,0 vezes. R.Bauer [6] relata que para o gás nitrogênio sob pressão de 1000 hPa (~1 bar) o valor de “alfa“ foi de 100-150 W/K.m2 e para um incremento da pressão foi de 300-400 W/k.m2. Mesmo para valores incrementados de pressão de gás de resfriamento ainda são consideravelmente inferiores que aqueles para óleo de resfriamento, mas próximos dos valores obtidos para sais fundidos e leito fluidizado. Deve ser considerado que esses valores seriam estimativas grosseiras uma vez que a taxa de resfriamento não dependeria apenas da pressão e taxa de fluxo de gás, mas também de vários outros fatores tais como o projeto da fonte do equipamento de gás, trocadores de calor, arranjo e superfície (forma, geometria, relação área / massa) das peças formando a carga do forno.
Existem muitas publicações discutindo vários aspectos, condições, possibilidades e restrições do gás de resfriamento sob pressão em fornos a vácuo. F.Linque e F.Bless [7] discutem a influência do nitrogênio sob pressão, variando de 1 a 5 bar, na taxa de resfriamento do centro de uma amostra de aço S652 (composição química típica de “aço rápido”) de 25 mm diâmetro e 48 mm de comprimento, como mostrado na Fig. 4.
Examinando uma amostra de 100 mm de comprimento de mesmo aço S652, esses pesquisadores mostram como o diâmetro da amostra afeta a taxa de resfriamento e a dureza da superfície e núcleo depois de dois revenimentos a 560ºC, Fig. 5. A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos no exame de dureza superfície e núcleo de amostras desse aço nos diferentes diâmetros depois de resfriamento com 5 bar de pressão gás nitrogênio e duplo revenimento a 560ºC. Como se pode observar nessa Tabela 1, mesmo para diâmetros maiores ainda é possível alcançar elevadas durezas.
Esses autores também compararam taxa de resfriamento, dureza obtida e tempo de vida em serviço para cortadores de dimensões 25 x 54 mm e brocas 6,5 x 13,5 mm construídos em aço rápido, arranjados em uma carga de 100 kg no forno a vácuo, submetidos a dois processos térmicos: sob pressão 5 bar de gás nitrogênio e resfriamento em banho de sal a 550ºC [8]. Os resultados – dureza e desempenho – foram praticamente idênticos. A Fig. 6 mostra como o tempo de resfriamento varia com a pressão do gás e diâmetro da amostra de aço e também que o resfriamento com gás sob pressão está entre o óleo e o ar.
A pressão de nitrogênio no resfriamento de aço rápido S652 afeta a dureza em função do diâmetro da barra do aço rápido S652, como pode ser visto na Fig. 7. Esse efeito da pressão de gás no resfriamento pode ser observado para outros tipos de aços de alta liga.
Aços das classes trabalho a quente e a frio também podem ser resfriados por uma corrente de gás nitrogênio de alta pressão. A Fig. 8 apresenta o resfriamento de duas ligas ferrosas, diferentes diâmetros, e respectivas curvas de resfriamento da superfície e núcleo submetidas às pressões 3 e 6 bar. Os resultados mostram que para um mesmo diâmetro, maior pressão de gás de resfriamento resulta em menor tempo de resfriamento para a superfície e núcleo.
A Fig. 9 [10], Giesser et al , mostra que a relação massa-superfície afeta a taxa de resfriamento numa faixa de temperatura de 800 a 500ºC. Nesse caso, interessante observar que quanto maior essa relação menos a pressão de gás afeta o processo de têmpera.
Essas seriam breves considerações teóricas para os principais aspectos do processo de resfriamento de gás inerte sob pressão denominada “têmpera a vácuo”. A parte II deste texto abordará na próxima edição desta revista aspectos práticos para a têmpera de bloco de aço da classe trabalho a quente, dimensões 400 mm, aproximadamente, considerando tanto o resfriamento direto como o “isothermal quenching” (martêmpera).
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[1] Manz, M.A., Diretor Industrial da Isoflama Indústria e Comercio. Descritivos de fornos Isoflama, / “Seco-Warwick”
[2] Catálogo fabricante de fornos “Seco-Warwick®“
[3] Quenching Theory and Technology, second edition, 2009, pg.423. Edited by Bozidar Liscic; Hans M. Tensi; Lauralice C.F.Canale; George E.Totten
[4] ASM (1969) Metals Handbook, Vol.1, Ed.8., ASM, Metals Park, OH
[5] e [3] Cooling Media and Their Properties, pg.423
[6] Bauer R (1985) Das Harten von hochwertigen Werkzeugen in modernen Vakuumanlagen mit Uberduck-Gasabkuhlung,. HMT, 40(1), 25-34
[7] Linque, F. and Bless, F., Heat Treat. Met.,35,1,1980
[8] Linque, F. and Bless, F (1982) Harten von Werkezeugen in Vakuumofen mit Hochdruck-Gesabsch-reckung, Zeitschrift fur wirtschaftliche Fertigung, 9,1-4
[9] Merlini, N., Trait.Therm.,171,44,1983
[9] e [10] Giesser, H., et al., Heat Treat. Met., 42, 301, 1987
