Antes da Segunda Grande Guerra Mundial, Cincinnati, Ohio, era a base da Companhia Derrick, que fabricava tijolos utilizando grandes fornos de calcinação para produção através de argila extraída das encostas de Cincinnati e no norte de Kentucky
Durante a Segunda Grande Guerra Mundial, houve a necessidade de tratar grandes peças de tanques para serem utilizadas em um palco de combates norte-africano, o que impeliu a Harry Derrick a utilizar seus fornos de calcinação de fabricação de tijolos como fornos de tratamento térmico. Os resultados foram tão bons que o Departamento de Defesa levou especialistas de todo os EUA para aprenderem os métodos empregados pela Companhia Frank J. Derrick. Por seu empenho, Derrick recebeu em reconhecimento o prêmio “E” do Exército/Marinha por excepcional esforço e serviço.
Conforme o tempo passou, Cincinnati se transformou na capital mundial de máquinas ferramenta, e a necessidade por tratamentos térmicos maiores e em grandes quantidades pareceu evidente. A Companhia Derrick continuou a investir nesta parte dos negócios de forma a descartar completamente os negócios com tijolos. Enquanto isso, Derrick construiu um dos maiores fornos de tratamento térmico da região que poderia tratar cerca de 54 toneladas de aço em uma batelada (Fig. 1). Pela década de 1990, a Companhia Derrick era muito bem respeitada por seus tratamentos térmicos de pequenas e grandes peças de aço fundidas e soldadas.
No começo da década de 2010, Derrick começou a estudar o potencial de executar processos de tratamentos térmicos mais específicos e logo veio a focar em tratamento térmico de alumínio. Tornou-se claro em sua pesquisa que havia alta demanda por tratamento térmico de pequenas peças de alumínio. Em particular, o mercado exigia que fosse realizado durante a conformação da peça para obter as melhores propriedades padrões inerentes às indústrias automotivas, aeroespaciais e outros campos. A capacidade de encontrar especificações como AMS 2770 (tratamento térmicos para ligas de alumínio em chapas, tubos e perfilados), AMS 2771 (tratamentos térmicos para ligas fundidas de alumínio) e AMS 2750 (pirometria) era crítica.
Derrick sabia que teriam de lidar com grandes volumes de pequenas peças, mas a companhia também preferia ter a opção de poder tratar grandes peças de alumínio. Os meios tradicionais de solubilização para essa variedade de peças de alumínio exigem grandes fornos de fundo móvel. Esses sistemas, no entanto, são caros e requerem maior disponibilidade de espaço para sua instalação.
Após consultar especialistas na indústria e outros tratadores da área, Derrick optou por uma nova tecnologia fornecida pela empresa Wisconsin Oven Corp. Este método emprega um sistema de solubilização horizontal, consistindo em um forno de batelada, um tanque de solubilização externa posicionado na frente e um equipamento especial de manuseio para transferir rapidamente a carga para o tanque de solubilização.
Desenvolvimentos recentes na tecnologia providenciaram um tempo de solubilização de 7 a 10 segundos, o que compete favoravelmente com sistemas de fornos de fundo móvel. Esse tempo mais rápido para a solubilização atende aos requisitos rigorosos para a maioria das peças de alumínio que a Companhia Derrick pretendia tratar comercialmente. Consequentemente, a introdução ao forno horizontal de solubilização fez sentido como um ponto de entrada lógico ao mercado de tratamento térmico de alumínio enquanto Derrick começou a integrar requisitos mais técnicos e precisos do tratamento térmico especializado em seus sistemas atuais de tratamento de grande porte.
Tratamento térmico do alumínio
Para melhor compreender a seleção de equipamentos da Companhia Derrick, é necessário revisar o processo de tratamento térmico de solubilização de alumínio.
O alumínio que é tratável termicamente contém elementos de liga como cobre, silício e magnésio dissolvidos na matriz. Para preparar um tratamento em solubilização adequada, uma sequência específica dependente das variações no tempo e na temperatura é exigida (Tabela 1).
Tratamento térmico em solução
O propósito do tratamento térmico de solubilização é dissolver uniformemente as ligas contidas em todo o alumínio. O processo consiste em aquecer e manter a liga de alumínio em uma temperatura suficientemente alta por um longo período de tempo para alcançar uma solução sólida quase homogênea, na qual todas as fases estão dissolvidas. A temperatura típica de tratamento térmico é entre 454-566°C.
Não deve ocorrer o superaquecimento ou aquecimento insuficiente das peças. No caso de superaquecimento, fusão eutética pode acontecer com a correspondente degradação de propriedades como resistência à tração, ductilidade e tenacidade à fratura. Se o aquecimento for insuficiente, a solução é incompleta e os valores de resistência serão abaixo do esperado. Até esse momento no processo de produção as peças já foram forjadas, extrudadas ou fundidas e às vezes usinadas, portanto a sucata produzida por tratamento térmico indevido é uma falha custosa e deve ser evitada.
Em geral, uma variação de temperatura de ±5,5°C é permitida, mas algumas ligas exigem tolerâncias ainda menores. O tempo em dada temperatura é função da espessura e pode variar de alguns minutos a várias horas. O tempo para aquecer a carga até a temperatura de solubilização também varia com a espessura da seção e a disposição da carga. Assim sendo, o cálculo para o tempo total deve levar isso em consideração.
Solubilização
Solubilização rápida e ininterrupta em água ou polímero é necessária. A solução sólida formada pelo aquecimento deve resfriar rápido o suficiente para produzir uma solução supersaturada em temperatura ambiente. Isso propicia uma condição ótima para o processo de endurecimento por precipitação sólida.
A solubilização é, de diversas maneiras, o passo mais crítico na sequência em processos de tratamentos térmicos. O objetivo é preservar da maneira mais intacta possível a solução sólida formada na etapa de aquecimento ao resfriar rapidamente para alguma temperatura inferior, normalmente próxima da temperatura ambiente. Em geral, os princípios e procedimentos para tratamento térmico utilizados em ligas de alumínio de chapas, tubos e perfilados são muito próximos aos utilizados em ligas de alumínio fundido.
Para alumínio fundido, maiores tempos de solubilização são permitidos e a solubilização é tipicamente feita em água. Para seções mais finas e para certas ligas, o tempo de solubilização deve ser mais curto e glicol ou água quente são utilizados para prevenir distorções, especialmente em formas complexas. Após a solubilização, o alumínio está amolecido e deve ser endurecido para uso.
Envelhecimento
O envelhecimento é alcançado através da precipitação por um ciclo de tratamento térmico que aquece o material temperado até 100/200°C e permanece nesta temperatura por determinado intervalo de tempo, normalmente horas. Isso otimiza tanto as propriedades de tração e o limite de escoamento enquanto aumenta a dureza. A ductilidade também diminui, sendo ela uma medida do percentual de elongação do material.
Equipamento para tratamento de solubilização – Comparação de tecnologias
O objetivo do sistema de tratamento de solubilização é executar precisamente e confiavelmente o processo de envelhecimento enquanto providencia resultados reproduzíveis e fluxo de eficiência do material de trabalho. Há dois tipos de equipamentos comumente empregados: os sistemas de fornos de fundos móveis e os sistemas horizontais.
Design tradicional: Equipamentos para fornos de fundo removível
Este tipo de sistema envolve uma abertura no fundo do forno, do qual a carga é rapidamente movida para o tanque abaixo. O forno possui uma porta (ou duas portas opostas) que desliza para permitir a passagem da carga (Fig. 2). O tanque de solubilização se movimenta em um carro que se direciona para baixo do forno. O forno é elevado para permitir a passagem do tanque de solubilização. Um sistema de elevação localizado acima do forno permite a descida da carga para o tanque. A carga é conectada por ganchos aos cabos do sistema de elevação, que pode se movimentar verticalmente através do topo do forno.
A primeira vantagem desse tipo de forno é a rápida velocidade de solubilização, que é definida a partir do momento em que as portas do forno se abrem até que a carga esteja totalmente submersa. O tempo de solubilização comum é de 7/10 segundos e pode chegar a 5 segundos para cargas menores. As desvantagens são o custo elevado e o espaço requerido dentro da fábrica.
Abordagem de tecnologia avançada
Recentemente um sistema alternado ao tradicional se tornou popular – os fornos de solubilização horizontais. Neste modelo, a porta é localizada na frente do forno ao invés de ser na parte inferior (Fig. 3). Após a carga ser aquecida e mantida na temperatura pelo tempo necessário, a porta rapidamente se abre e um extrator especialmente projetado transfere a carga da câmara do forno até o elevador de solubilização na frente do forno. O elevador de solubilização, então, imediatamente deposita a carga no tanque.
No passado, o estado da tecnologia em solubilização horizontal era tão inferior que era limitado a peças com uma seção transversal mais espessa (normalmente peças fundidas) onde um tempo maior de solubilização era aceitável. A primeira geração do equipamento possui um tempo de solubilização de 15 segundos ou maior e não cumpria as especificações exigidas pela AMS 2770, que estabelece qual é o tempo aceitável para cada espessura (Tabela 2.)
Através de avanços na tecnologia em sensores de movimento junto com melhorias nas técnicas de manuseio de materiais, o tempo de solubilização para sistemas horizontais tem diminuído progressivamente ao longo dos anos. Pode chegar a 10 segundos ou até 7 segundos para cargas mais leves. Isso permite que o equipamento de solubilização horizontal possa competir com o sistema tradicional e se adequar aos rigorosos requisitos das indústrias automotiva e aeroespacial.
Sistemas horizontais oferecem como vantagens o reduzido custo capital e o tamanho reduzido.
Características do projeto de sistemas de solubilização horizontal
Existem vários elementos importantes para o projeto do equipamento da solubilização horizontal que proporciona uma capacidade confiável de solubilização rápida (Fig. 4).
Elevação rápida da porta
Em comparação ao tradicional forno de batelada, que normalmente possui um tempo de elevação de porta de 5 segundos ou mais, a elevação de porta vertical em um forno de solubilização horizontal deve abrir completamente em dois segundos ou menos. Isso exige um incomparável sistema pneumático de alto fluxo no caso de uma elevação de porta operado a ar ou um elevador motorizado de frequência variável se a elevação de porta for elétrica. Em geral, o sistema de elevação elétrico pode proporcionar uma ação mais rápida e precisa do que o sistema pneumático, mas ambos dependerão do tamanho da porta (que é ditado pelo tamanho da carga).
Transferência rápida de carga
O sistema de manuseio de materiais que extrai a carga do forno é localizado na parte posterior e empurra a carga por trás (Fig. 5). A carga deve ser removida do forno e colocada no elevador de solubilização entre 2 a 3 segundos. Isso inclui o tempo requisitado para aceleração, transferência e desaceleração. É crítico que o movimento seja suave de forma a prevenir que a carga sofra algum tipo de choque durante a transferência, o que pode levar a uma compressão do sistema ou encurtar a vida do equipamento.
Elevador de resfriamento brusco
O elevador de resfriamento brusco é uma plataforma que recebe a carga do forno e a desce rapidamente até o tanque de solubilização. É importante que o elevador possua captura ponto a ponto (multipoint pickup) de modo a evitar que a carga seja derrubada enquanto é abaixada. Da mesma forma que o sistema de elevação de porta, o elevador utiliza um sistema pneumático para elevar e abaixar a carga rápida e suavemente. Para se adequar aos requisitos de altura máxima, o equipamento pode ser localizado num fosso abaixo do chão da fábrica (Fig. 6).
Tendências da indústria
Com o aumento da demanda por sistemas de solubilização horizontal para alumínio, a tendência é diminuir o tempo de solubilização e aumentar as capacidades de carga. Atualmente, a máxima carga permitida é de aproximadamente 1,8 metros, e os esforços estão concentrados em aumentar isso. Enquanto isso, tempos de solubilização cada vez mais rápidos são requisitados para permitir cargas maiores para receber o atender as especificações conforme AMS 2770 MIL. O sistema de solubilização horizontal é uma tecnologia promissora para o presente e para o futuro.
Para mais informações: Mike Grande, Engenheiro de aplicação sênior, Wisconsin Oven Corporation, Wisconsin – EUA; tel: +1 262-642-6003; e-mail: mgrande@wisoven.com; web: www.wisoven.com.
