Os tratadores térmicos sempre estão curiosos em relação ao desempenho de seus fornos; em particular, querem saber se existe a uniformidade das propriedades alcançadas por todo o volume da peça tratada. Com frequência, para ter respostas a essas questões, nós nos voltamos para ferramentas sofisticadas, porém existe um método simples e muito eficiente que pode ser usado para quantificar o desempenho de nossos fornos – o Teste do Anel em C da Marinha Americana: Uma Ferramenta Prática para o Tratador Térmico. Vamos aprender mais.
Projetado originalmente para estudar alterações dimensionais que ocorrem durante o tratamento térmico de componentes endurecidos e/ou endurecidos superficialmente, o Teste do Anel em C tem a grande vantagem de poder ser adaptado e usado ao mesmo tempo em que as cargas estão sendo tratadas, sendo possível, portanto, determinar a capacidade de desempenho geral do forno (ou seja, a condição) e do tratamento térmico que está sendo conduzido. Esse teste também pode ser usado para comparar os resultados de tratamentos térmicos feitos em sua própria fábrica/laboratório com outros realizados por terceiros.
O teste também pode ser estruturado para ajudar na avaliação da atmosfera dos fornos a vácuo. É possível analisar processos como normalização, endurecimento e endurecimento superficial, junto do desempenho do óleo ou gás de alta pressão usados na têmpera. Ainda, existe a possibilidade de o teste ser estendido para fornecer outros tipos de informações (em função da posição no interior da carga de trabalho), além daquelas originalmente propostas, como:
• Uniformidade de dureza (superfície, núcleo);
• Variações dimensionais (distorções);
• Uniformidade/eficiência do sistema de têmpera (tipo de óleo, agitação e temperatura);
• Uniformidade de cementação (eficiência e espessura da camada cementada, mais variação da camada em função da posição);
• Uniformidade microestrutural (incluindo teores de austenita retida);
• Temperabilidade do material;
• Estado de tensão da superfície do material;
• Suscetibilidade ao trincamento (como função das diferentes condições e meios de têmpera).
Como o teste não é limitado a uma classe particular de material, os anéis em C podem ser feitos de materiais ferrosos (aço, aço inoxidável, aço ferramenta) e não ferrosos (alumínio, titânio). Exemplos típicos de aços usados são o SAE 1010, 4140, 4340, 8620 e 9310. É importante que os anéis em C sejam constituídos dos mesmos materiais que as peças testadas (e, idealmente, que tenham passado pelo mesmo tratamento térmico).
O que é o Anel em C da Marinha Americana?
Essencialmente, o anel em C é um pequeno cilindro com uma cavidade excêntrica e com pequena abertura em uma de suas extremidades (Fig. 1). O anel original (feito de acordo com as Especificações do Departamento da Marinha dos EUA para Aços Ferramenta, n. 47S5c, 1 de Julho, 1921[3]) tem espessura de 25 mm. É bastante comum modificar a espessura do anel para espelhar o tamanho e a espessura das peças processadas que se deseja testar. Também é importante que, para uma mesma carga aplicada, os anéis em C utilizados possuam dimensões físicas iguais.
Como Conduzir o Teste
Todas as peças devem ser medidas antes e após o tratamento térmico através de um mesmo sistema de coordenadas, para que as dimensões geométricas sejam determinadas com precisão. Essa é uma etapa crítica para a subsequente análise estatística dos dados. As amostras de anéis em C podem ser, então, posicionadas verticalmente em uma carga de trabalho (se for feito um furo opcional na amostra, para que a mesma possa ser pendurada) ou na direção horizontal. Tipicamente, utiliza-se um mínimo de nove anéis posicionados nas extremidades e no centro da carga (como em uma avaliação de uniformidade de temperatura), junto das peças que estão sendo produzidas. Os anéis também podem ser posicionados em cestas individuais e empilhados para comporem uma carga.
Amostras como temperadas ou como revenidas também precisam passar por testes de dureza na superfície e no núcleo da peça, avaliação da microestrutura, medidas da profundidade de camadas superficiais (através de microdureza), de teor de austenita retida e de tensão residual por Difração de Raios X (DRX), para se obter um conjunto completo de informações a respeito da peça.
Foco do Teste Original
Historicamente, o principal foco do teste de anel em C é avaliar mudanças dimensionais. Em termos mais simples, a distorção de um componente de engenharia pode ser definida como variação em seu formato ou volume durante a sua fabricação (incluindo os tratamentos térmicos) e em serviço.
A distorção que costuma ocorrer durante a têmpera é resultado de variações diferenciais no volume, que, por sua vez, se devem à extração de calor e/ou a transformações de fases. Essas alterações dimensionais podem influenciar dramaticamente a produtividade, por conta da necessidade de operações de usinagem pós-tratamento térmico. Ainda, quando a distorção é severa, o potencial para formação de trincas se torna uma preocupação predominante.
Os principais fatores que influenciam as distorções[1] são as taxas de resfriamento, os tratamentos de endurecimento (por exemplo, cementação, carbonitretação ferrítica), a temperabilidade do material e a sua composição química.
Investigações a respeito desses fatores[1] revelaram que a taxa de resfriamento da cementação é extremamente importante. Taxas de resfriamento muito elevadas (como as de têmpera a água) superam completamente os efeitos de mudanças composicionais. De modo contrastante, enquanto a cementação reduz o movimento dimensional em aços baixa liga, em aços de alta temperabilidade o seu efeito é menos pronunciado.
Já a influência das composições químicas dos aços é mais complexa de ser avaliada, sendo preciso, primeiro, distinguir seus efeitos em dois casos: (1) no aumento da temperabilidade e (2) na diminuição da temperatura de início da transformação martensítica em aços totalmente temperáveis. Os dois aspectos devem ser entendidos completamente para que se possa, então, fazer as correlações entre a movimentação dimensional e as amplas faixas de composição química dos aços. Um exemplo que ilustra este ponto é o de aços ao boro, que apresentam comportamentos de distorção inteiramente diferentes dos aços sem boro e de temperabilidade comparável.
Especificações de composições químicas para aços com temperabilidade restrita foram criadas com o intuito de diminuir a variabilidade nas distorções. Efeitos ainda maiores foram descobertos ao se trabalhar com aços de temperabilidade superior a requerida para tratamentos de endurecimento de seções de determinados tamanhos.
O teste do anel em C tem sido efetivamente usado para avaliação da distorção final decorrente da têmpera de peças. A análise das distorções pode ser feita com base nos seguintes tipos de variações observados nas amostras (lembrando que a informação é dada em função da condição do tratamento térmico e do posicionamento da amostra durante o teste):
• Diâmetro interno;
• Diâmetro externo;
• Largura da abertura do anel;
• Espessura;
• Nivelamento;
• Dimensões cilíndricas;
• Esfericidade;
• Perfuração (caso um furo tenha sido feito na amostra);
• Variações dimensionais decorrentes de tratamentos térmicos criogênicos ou de operações de têmpera (como função de temperatura e de tempo).
Adicionalmente, com este ensaio é possível entender os efeitos da composição química e da microestrutura inicial do material no tamanho ou formato da distorção e nos teores de austenita retida e de tensões residuais.
O teste pode ajudar a avaliar a eficiência de processos anteriores aos de endurecimento, como o recozimento ou normalização feitos antes da cementação. Os teores de austenita retida em peças cementadas também são de interesse, principalmente em aços cementados que possam conter altas frações volumétricas de austenita retida, após passarem por têmpera e revenimento – dependendo dos elementos de liga e dos parâmetros de processo utilizados (por exemplo, temperaturas de cementação e de endurecimento, potencial do carbono, taxa de resfriamento). A austenita retida pode influenciar na dureza superficial e na estabilidade dimensional da peça ao longo do tempo.
Os tratamentos térmicos também geram tensões residuais nos materiais, que resultam em variações dimensionais.
Sumário
Na era atual de intransigência com a qualidade de produtos, a inclusão do Teste do Anel em C da Marinha Americana em uma base trimestral irá auxiliar de modo incalculável a reduzir as variações nos equipamentos e nos processos. Além de avaliar as mudanças dimensionais, o teste pode ser usado para validar os tratamentos térmicos em relação aos seguintes fatores: (1) variações de temperatura pelo volume da peça, (2) efetividade da têmpera, (3) diferenças de dureza na superfície e no núcleo da peça e (4) temperabilidade do material.
Os resultados fornecidos por esse teste podem ajudar a classificar a capacidade do processo, verificar possíveis mudanças nos processos (rotas), confirmar a validade do controle da instrumentação, a manutenção direta das atividades e podem consistir em ferramentas de controle de qualidade de valor inestimável (principalmente quando são realizadas análises estatísticas dos dados). Como dizem, “Apenas faça”. Você ficará feliz por ter feito.
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