Camadas de componentes empilhados multiplamente (Fig. 1) são comuns em aplicações para prensas quentes a vácuo (Fig. 2) que utilizam soldagem por difusão. Como muitos metais são facilmente oxidados, o processo acontece normalmente em fornos a vácuo especializados operando na faixa de 10-4 a 10-6 Torr ou em uma atmosfera com pressão parcial de hidrogênio. Sistemas de fornos para prensa a quente operam em temperaturas de 400-1230°C com até 30 toneladas de força de compactação ou maior. Sistemas especializados são capazes de estender a temperatura máxima de operação, pressão e níveis de vácuo.

O que nós sabemos de nossa discussão anterior sobre o processo é que a soldagem por difusão pode ocorrer não intencionalmente a qualquer momento em que as peças são mantidas em contato íntimo entre si em uma temperatura suficientemente alta que permita que a difusão Interatômica possa acontecer entre as superfícies. Soldagem por difusão em prensa quente a vácuo, no entanto, é um processo intencional e auxiliado tanto pela aplicação de temperatura quanto de pressão.

Geralmente, níveis de vácuo podem ser reduzidos aproximadamente, ou abaixo, do ponto de ebulição de qualquer um dos constituintes principais da liga presentes nos materiais que serão processados. Isso pode ser previsto por Diagramas de Ellingham (Industrial Heating do EUA, Abril 2011). A taxa de transporte de massa para o constituinte de maior pressão de vapor é utilizada para auxiliar na determinação de taxas de soldagem e controlar a sua qualidade.

Muitas operações de soldagem por difusão são conduzidas pela utilização de pesos mortos simples colocados em cima da carga de trabalho, a qual é então colocada dentro do forno em uma placa de base. Isso assegura que todas as superfícies de soldagem estejam em contato íntimo. Para mais espessas ou empilhadas onde a tensão residual pode estar presente desde operações anteriores de fabricação, contudo, um alívio de pressão natural ocorre sob aquecimento e frequentemente resulta em distorção não controlada. Nestas circunstâncias força, adicional é exigida para manter a planeza, tornando o uso de pesos mortos uma atividade impraticável.

Ao longo dos anos, a necessidade para maiores quantidades resultou no maior uso de métodos de usinagem que fazem uso de uma incompatibilidade de expansão diferencial ou de algum tipo de sistema de ativação de carga, como sistemas para diminuir a pressão ou pneumáticos/hidráulicos que podem ser usados para aplicar a quantidade de força necessária.

Com expansão diferencial ou assim chamado projeto de caged-tooling, as peças quase sempre sofrem do fato de que a carga máxima é aplicada antes de alcançar e temperatura máxima de soldagem. Isso pode resultar em distorção da peça (devido a deformação).

Como as peças estão sob tensão significante também durante o aquecimento, a degradação da superfície e o dobramento/envergamento (frequentemente referido como “potato chipping”) podem acontecer. Isso acontece pela expansão diferencial (tensão de cisalhamento trabalhando contra as camadas da superfície que crescem externamente) durante o aquecimento e o resfriamento. Uma indicação de que isso está acontecendo é a presença de rastros de descamação nas superfícies das peças.

Uma necessidade para um melhor controle do nível do vácuo e da tensão de carga aplicada levou ao desenvolvimento de mais sistemas avançados de prensa quente a vácuo. Estes são fornos a vácuo convencionais com adição de pistões hidráulicos (Fig. 3) e uma mesa de prensa quente dentro do forno. O arranjo é similar ao de uma prensa de assentamento de mandris. Placas de base distribuem a carga uniformemente por toda a peça. As vantagens da força uniforme são significativas da perspectiva mecânica e metalúrgica.

Uma pequena prensa quente comum (Fig. 4) teria características como:

• 300×300 mm (11.8 x 11.8 polegadas) mesas de metal refratário;
• 150kN (33,720 lbf) força de compressão;
• 1350°C (2460°F) temperatura máxima;
• Mid-10-6 Torr (10-6 mbar) vácuo máximo.

Recentes avanços na indústria de soldagem por difusão levaram ao desenvolvimento de sistemas de prensa quente a vácuo que incluem capacidades para resfriamento de gás de têmpera com trocadores de calor externos de formas que as peças possam soldar por difusão e então temperadas para otimizar o tratamento térmico pós soldagem (recozimento em solução, envelhecimento ou endurecimento) e resultar em propriedades do material. Características típicas destes sistemas especializados podem conter:

• 2.275-kg (5000-lb) capacidade de carga;
• 914×1.220 mm (36×48 polegadas) footprint de compressão da placa base;
• 890 kN (200.000 lbf) força de compressão;
• 1455°C (2.650°F) máxima temperatura;
• Mid-10-6 Torr (1×10-6 mbar) vácuo máximo;
• Controle de pressão parcial para o hidrogênio;
• 2-bar resfriamento de gás de têmpera.

Resumo

Métodos muito diferentes de usinagem e preparação das juntas soldadas podem ser usados em soldagem por difusão. Finalmente, o usuário final deve decidir qual é o melhor método para empregar de modo a diminuir o custo de produção da peça. Essa decisão é normalmente influenciada por fatores como geometria, tensão permitida, microestrutura resultante ou simplesmente o número total de peças que devem ser produzidas.

A soldagem por difusão a vácuo deu passos largos recentemente e superou muitos problemas que dificultaram a tecnologia no passado (por exemplo, materiais sujos, superfícies de contato não niveladas, limitações de projeto de equipamento e falhas). Dado isso, se tornou uma tecnologia robusta e digna de consideração por engenheiros de projeto.

Referências

[1] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treat ment, Volume II, BNP Media, 2016;
[2] Norm Hubele, Refrac Systems (www.refrac.com), technical and editorial contributions and private correspondence;
[3] Tom Hart, SECO/VACUUM TECHNOLO GIES, LLC (www.secovacusa.com), technical contributions and private correspondence;
[4] Wolfgang Rein, PVA Industrial Vacuum Systems GmbH (www.pvatepla.com), technical contributions and private cor respondence.

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Processos

Existem muitos tipos de soldagem por difusão exigindo uma variedade de perfis térmicos (Fig. 1). Estes podem ser caracterizados como apresentado a seguir.

Soldagem por Difusão em Estado Sólido

Uma soldagem em estado sólido pode ser definida como um método no qual duas ou mais peças combinadas são unidas sem o uso de uma camada de interface (sem a aplicação de um material entre as peças aplicado por chapeamento, deposição de íons (sputtering), implantação de íons ou brasagem, ou na forma de lâmina). A interface resultante deve ser ligada no ponto de fusão ou abaixo de cada material base ou qualquer resultante eutético que possa se formar (Tligação<Tponto de fusão).

Tipicamente, pode-se reparar em um aumento de 50% ou mais no tamanho do grão. A deformação total da peça deve ser da ordem de 2-4% para atingir a maior qualidade de selagem hermética.  A especificação da deformação significa que cargas consideráveis (isto é, unidade de força normal) devem ser aplicadas às superfícies de soldagem de maneira a alcançar os resultados apropriados.

Soldagem por Difusão Ativada

No método de soldagem por difusão, as superfícies a serem conectadas são revestidas por um material sólido, tipicamente com um diâmetro atômico menor e uma maior pressão de vapor do que a do material base. A ligação resultante é alcançada pela presença da difusão/taxa de transporte de massa do material secundário. O processo ocorre abaixo ou no ponto de fusão de cada material base ou de qualquer resultante eutético que pode se formar (Tligação<Tsolubilidade do segundo material).

A soldagem por difusão ativada é normalmente executada em materiais que sofrem desvantagens em tensão devido ao crescimento de grão ou estruturas que não podem ser extremamente deformadas. Peças que possuem acabamentos de superfície inadequados, materiais que são degradados por crescimento de grão (por exemplo, superligas a base de níquel e cobalto) ou ligações que exigem valores de selagem hermética extremamente baixos, são tipicamente ligados por este método. Isto é particularmente verdade quando a estrutura contém passagens muito pequenas embutidas que podem se conectar ou bloquear o método se baseando em líquido gerado durante a operação.

Soldagem por LID (Liquid Interface Diffusion, Difusão com Interface Líquida)

Neste método de soldagem, um material secundário é propositadamente colocado na interface com a intenção de que se fundirá e produzirá um líquido durante a operação (similar à brasagem convencional), mas deve ser enfatizado que existem diferenças significativas entres os dois processos.

Especificamente, a interface inicial no processo é normalmente muito fina – na ordem de 3,81 microns de espessura. Por comparação, uma junta brasada típica normalmente possui 38,1 microns de espessura no mínimo. Porque a espessura inicial é tão fina, é também normal que o segundo material seja quase completamente difundido para a rede do material base durante o processo. O líquido flui por entre as asperezas da superfície, ajudando a minimizar os vazios que podem ser causados pelas partes com mau acabamento de superfície ou defeitos menores (como rebarbas).

Em uma junta brasada (Fig. 2), a microestrutura costuma mostrar uma camada definida da química da liga brasada e possui filetes nas interfaces exteriores em cada camada. A resistência resultante da junta brasada por difusão e a produzida por LID podem variar em quantidades substanciais. Isso se deve a quantidade relativa da verdadeira superfície base-base a ser ligada. E também, a camada adiciona por LID pode ser selecionada para promover a formação de um eutético com o metal base de modo que a temperatura da ligação possa ser diminuída para um pouco acima do eutético do sistema resultante (Tligação>Teutético ou Tliquidus do segundo material).

A taxa de difusão resultante ocorre a 3 a 5 vezes a ordem de magnitude mais rápido do que a soldagem por difusão em estado sólido. Portanto, a LID pode ser aplicada mais rapidamente em menor energia de deformação do que os processos no estado sólido ou por difusão ativada. O processo LID é usado para peças grandes com geometrias contendo grandes passagens internas – além de 3,175 mm. O processo LID é também aplicado quando o risco das passagens se conectarem for uma preocupação ou quando a peça possui um tamanho que não haja força mecânica suficiente disponível de uma ferramenta de expansão diferencial ou sistemas hidráulicos/carneiro hidráulico para alcançar uma boa ligação.

Uma junta formada por LID pode ser bem fina e produzir excelentes interfaces de difusão com o material base. Este tipo de soldagem pode ser usado diretamente junto a passagens que são muito pequenas, como 0,16 mm x 0,16 mm, com um risco muito menor de se conectarem. A verdadeira quantidade de líquido que é gerada pode ser controlada usando taxas de rampa devagares – 18°C/hora, por exemplo. Mesmo em pressões até 2.760 kPa (400 psi) em unidades normais de tensões ocorre muito pouca deformação do metal base (menos que 0,1%) , e apenas uma pequena porcentagem da liga é deslocada.

Soldagem por Difusão com TLP/TLID (Transient Liquid Phase, Fase Líquida Transiente)

TLP envolve superfícies que podem ser parecidas em qualidade e química com a camada fina do processo LID, mas o processo evita que o líquido seja realmente formado em uma quantidade significante (isto é, retarda a formação de fundido da liga brasada ao controlar o eutético formado in-situ). Como resultado, o risco das passagens menores se conectarem pode ser substancialmente reduzido enquanto permite uma soldagem bem sucedida das peças que podem ter um acabamento superficial inadequado.

Taxas de aquecimento menores podem ser contínuas acima da temperatura solidus do segundo material até temperaturas bem acima da temperatura liquidus do sistema de interface fornecido de modo que a máxima temperatura nunca exceda o ponto de fusão incipiente do metal base.

Resumo

Soldagem a vácuo pode ter feito grandes avanços nos últimos anos e é uma tecnologia que engenheiros de projeto e responsáveis por tratamento térmico necessitam conhecer mais. Limitações do passado como materiais impuros, superfícies de contato não homogêneas e um projeto de equipamento insuficiente (como pressão de produção não homogênea) foram superados, e o resultado é um processo robusto merecedor de consideração.

Referências

[1] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume II, BNP Media, 2016;
[2] Hubele, Norm, Refrac Systems (www.refrac.com), technical and editorial contributions and private correspondence.

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O Que é Lastro de Gás?

Lastro de gás é a introdução de um gás não condensável (por exemplo, ar ou nitrogênio) em uma bomba de paletas rotativas durante o estágio de compressão para impactar intencionalmente a eficiência da bomba, assim aquecendo o óleo interno e ajudando a expulsar a água e outros líquidos condensados presentes na bomba de óleo. Em adição às bombas de paletas rotativas, é também usada em bombas de rolagem e bombas de pistão, para nomear algumas. Wolfgang Gaede desenvolveu o princípio do lastro de gás em 1935, o qual foi primeiramente aplicado a bombas de paletas rotativas.

O gás de lastro é puxado para a câmara de bombeamento através de uma válvula unidirecional (também conhecida como válvula de lastro de gás) localizada na bomba. É normalmente dito que o lastro de gás é injetado, mas na verdade o gás é puxado para dentro da bomba por um motor rotativo, que produz pressão reduzida dentro da bomba.

Como o Lastro de Gás de Bombas Funciona?

Lastros de gás previnem a condensação do vapor dentro da bomba ao diluir o gás bombeado com o ar arrastado através da válvula de lastro. Uma vez que o ar é puxado para dentro e se mistura com os gases bombeados, o vapor de água transportada no gás bombeado compõe uma menor porcetagem do gás, que agora inclui também o gás de lastro (ar).

O vapor de água também é diluído para condensar em um líquido. Outra maneira de dizer é que o gás de lastro dilui o vapor no gás bombeado de forma que a pressão parcial da água nunca atinja seu valor de saturação durante a compressão.

O lastro é introduzido no começo do ciclo de compressão. Após a injeção começar e o gás de lastro for levado para dentro da bomba, o rotor da bomba continua a girar, o que aumenta a pressão gerada dentro da bomba. Isso força a válvula unidirecional a se fechar, mas não até que toda a diluição necessária tenha ocorrido. Enquanto o rotor continua a girar, a válvula de descarga da bomba é forçada a abrir e descarregar a mistura de gás bombeado, gás de lastro e vapor de água (Fig. 1).

Embora o ponto no ciclo de bombeamento no qual o gás de lastro é injetado esteja no lado de compressão da bomba, está ainda abaixo da pressão atmosférica antes da abertura da válvula de lastro, o que força a válvula de lastro a abrir e permitir que o gás de lastro seja levado para dentro da bomba.

Embora a bomba esteja comprimindo o gás bombeado neste ponto, não o está comprimindo acima da pressão atmosférica. Se fosse, a válvula de lastro não se abriria. Isto pode ser confuso porque a terminologia comum que descreve o lastro de gás refere-se ao gás de lastro que está sendo injetado no lado de compressão da bomba, quando poderia ser mais intuitivamente descrito como sendo puxado para a segunda fase da bomba.

A válvula de lastro é uma válvula unidirecional que fecha assim que a pressão da bomba atinge a pressão atmosférica, que é o ponto exato em que a válvula de saída da bomba se abre. Isto força o gás bombeado a iniciar imediatamente a saída da bomba após o balastro ser introduzido e antes da condensação da umidade bombeada ou outro vapor que possa ocorrer dentro da bomba.

Além de diluir a água condensável e outros vapores, o lastro de gás eleva a temperatura do gás bombeado em cerca de 20°C, o que também ajuda a reduzir a condensação de vapores. O lastro de gás também é usado para descontaminar o óleo da bomba que já foi contaminado com vapor condensado, o que pode levar várias horas para o óleo da bomba que esteja severamente contaminado.

Para evitar a contaminação durante o funcionamento normal, os fabricantes de bombas recomendam o funcionamento da bomba com a válvula de entrada fechada e lastro de gás ativo por 20 a 30 minutos após cada ciclo. Isso remove os vapores condensados residuais do óleo após cada ciclo de operação, evitando que eles se acumulem e causem contaminação. No entanto, esta recomendação não é muitas vezes seguida na prática dada as exigências de produção do equipamento.

Embora o ar seja o gás de lastro mais comum devido ao seu baixo custo, não é usado quando a umidade, o oxigênio ou o hidrogênio contido no ar possam reagir com os gases do processo. Nestes casos, prefere-se o nitrogênio. Embora mais caro, é mais inerte do que o ar.

A quantidade de gás de lastro pode ser selecionada em muitas das bombas atuais, com um fluxo baixo e um fluxo alto disponíveis (Fig. 2) ou através de um botão rotativo para permitir o ajuste em uma sequência contínua quando o botão é girado no sentido horário ou anti-horário. O efeito negativo do lastro sobre o vácuo final e a perda de óleo são menores no modo de baixo fluxo do que durante o fluxo alto.

Limitações

Embora seja uma ferramenta essencial para muitas aplicações, o lastro de gás possui várias desvantagens que devem ser consideradas. A maior é que reduz o vácuo final da bomba (Fig. 3), uma vez que o gás de lastro impacta negativamente a eficácia da bomba, ao diminuir a diferença de pressão sobre o rotor da bomba. Por esta razão, a válvula de lastro de gás deve ser fechada em operações normais do forno. Se não for, o resultado pode ser a incapacidade de atingir o nível de vácuo desejado para o processo a ser executado. A maioria dos fabricantes de bombas oferece a opção de lastro de gás automático, o que evita esse problema, mas sujeita a bomba ao lastro mesmo se não houver contaminação.

O lastro de gás também aumenta a taxa de óleo descarregado da bomba. Embora isto seja muito mais desejável do que ter o gás acumulado no óleo da bomba, medidas devem ser tomadas para recolher este óleo afim de impedir a sua descarga da planta.

É tipicamente removido usando um eliminador de névoa de óleo ou filtro coalescente (Fig. 4). Quando o volume de óleo descarregado for suficientemente alto, pode ser dirigido de volta para a bomba para reutilização através de uma linha de retorno de óleo.

Resumo

O lastro de gás é uma parte integrante da operação bem-sucedida de qualquer forno a vácuo e deve ser considerado uma parte rotineira da operação diária. Muitos tratadores térmicos utilizam o lastro em suas bombas de vácuo por 20-30 minutos no início de cada dia, enquanto planejam os seus horários e preparam cargas para serem executadas. Faça disso parte da sua rotina.

Você será feliz por ter feito isso.

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[1] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume I, BNP Media, 2012;
[2] Herring. Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume II, BNP Media, 2016;
[3] The Vacuum Technology Book, Volumes 1, Pfeiffer Vacuum (www.pfeiffer-vacuum.com), 2008;
[4] “Operating a Vacuum Furnace Under Humid Conditions,” Vacuum Furnace Reference Series, Solar Atmospheres, Inc., 2011;
[5] David Sobiegray, Edwards (www.edwardsvacuum.com), private correspondence;
[6] Dr. Sang Hyun Park, Busch LLC (www.buschusa.com), private correspondence;
[7] Mario Vitale, Oerlikon Leybold Vacuum USA, Inc. (www.oerlikon.com), private correspondence.

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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.

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Lastro de gás é essencial para bombas a óleo seladas, como bombas giratórias, mas isso é normalmente mal interpretado ou negligenciado como parte da rotina de manutenção de um forno a vácuo. Como uma boa prática, deve ser realizada inspeção entre 20 a 30 minutos por dia e normalmente é feita antes do forno começar a produzir peças (nunca enquanto o forno está com carga!).

Atualmente, algumas bombas de vácuo são providas de lastro de gás automático, mas até mesmo estas nunca devem ser tidas como infalíveis. De modo simples, um lastro de gás é uma maneira de permitir que a bomba a vácuo possa lidar com gases que contém vapor condensável ou umidade sem contaminar o óleo.

De maneira a discutir apropriadamente o uso do lastro de gás, é eficiente revisar o propósito do óleo de bomba de vácuo.

Óleo de Bomba de Vácuo – Uma Revisão

O óleo em bombas giratórias serve a vários propósitos críticos. Estas bombas são projetadas com ajuste muito específico entre as partes móveis (as palhetas do rotor) e as partes fixas (o invólucro de bombeamento). Uma camada fina de óleo é necessária nas fendas entre as partes e age como vedação, sem a qual a bomba não pode produzir vácuo. Além disso, o óleo lubrifica as superfícies das partes móveis (rotação/deslizamento), o que pode ser um ambiente muito duro, de baixa pressão, alta velocidade de superfície e elevada temperatura.

O óleo também resfria a bomba ao remover calor das áreas onde é gerado e permitindo que se dissipe no reservatório de óleo. Por estas razões, a viscosidade, pressão de vapor e outras propriedades do óleo sofrem grande impacto durante o processo. Também é crítico que o óleo não seja contaminado. No mundo do vácuo, entretanto, é mais fácil falar do que fazer.

Se o óleo for contaminado com umidade ou outras impurezas, este não poderá vedar, lubrificar ou resfriar a bomba. O resultado é a falha em alcançar o nível de vácuo desejado em um período de tempo razoável. E se a bomba continuar a operar com o óleo contaminado, pode superaquecer, parar de funcionar corretamente ocasionando parada e exigindo um reparo caro ou reconstrução.

Como Ocorre a Contaminação do Óleo de Bomba?

Uma das causas principais da contaminação do óleo de bomba é a umidade. Quando uma câmara de vácuo ou um forno é aberto e fechado durante a carga e a descarga, ar com alta umidade (Fig. 1) pode entrar na câmara. Além disso, umidade na forma de água pode entrar no forno junto com a carga. Esse vapor de água irá se anexar nas superfícies do interior da câmara em camadas mono ou bimoleculares (Fig. 2).

No caso do forno a vácuo, o isolamento poroso de alta superfície de contato pode absorver grande quantidade da umidade em curto intervalo de tempo. Na próxima vez que a câmara for submetida a vácuo, essa camada de água irá cristalizar na forma de gelo e então vaporizar e esse vapor será carregado dentro da bomba junto com o gás bombeado. Lastro de bomba de gás elimina a água que pode contaminar o óleo.

Vapor de água não é o único contaminante que pode parar no gás bombeado. Vapores de solvente de componentes de limpeza, ou moléculas de lubrificantes ou graxa encontrados nas partes próximas do forno também podem ser liberados, carregados com o fluxo de gás e entrar na bomba. Sem o lastro de gás eles também irão se misturar ao óleo e contaminá-lo, diminuindo bruscamente sua eficiência.

Vapor de Pressão

O motivo pelo qual a umidade ou vapores de solventes se misturam ao óleo está relacionado com a pressão de vapor da umidade ou do solvente. Pressão de vapor é a propriedade de todos os líquidos que os permite entrar em ebulição em qualquer pressão abaixo dela e condensar em qualquer pressão acima. Pode-se pensar que a pressão de vapor é a pressão mínima exigida para manter o líquido no estado líquido. Se a pressão nesse ambiente cair abaixo desse limite, então o líquido entrará em ebulição.

A pressão de vapor é função da temperatura, usando a água como exemplo que pode entrar em ebulição em pressões menores do que 24 mbar (0,02 atm), que é a pressão de vapor da água na temperatura ambiente.

A pressão de vapor e o seu impacto sobre a ebulição pode ser ilustrada em um experimento simples utilizando um êmbolo e uma pequena quantidade de água (Fig. 3). Primeiro, puxe o pistão para trás para que entre um pouco de água no êmbolo. Então feche o bocal do êmbolo usando uma cortiça de borracha para vedação. Em seguida, rapidamente termine de puxar o pistão, reduzindo a pressão dentro do êmbolo. A água irá ferver assim que a pressão do êmbolo for menor do que a pressão de vapor da água, até mesmo se a água estiver na temperatura ambiente. Finalmente empurre o pistão de volta e o vapor de água irá condensar assim que a pressão dentro do êmbolo estiver acima da pressão de vapor da água.

A mesma sequência que ocorreu no experimento do êmbolo ocorre no processo de vácuo. Enquanto o vácuo é aplicado na câmara, toda água residual (ou líquido volátil) se transforma em vapor assim que a pressão da câmara for menor do que a sua pressão de vapor correspondente. Esse vapor de água que se mantém um pouco acima da pressão de vapor é sugado pela bomba. Após alcançar o lado de compressão da bomba, o vapor condensa imediatamente da mesma maneira que a água no êmbolo. O líquido então forma gotas que se misturam ao óleo, contaminando-o. O lastro de gás evita isso fazendo com que a válvula de saída se abra antes do vapor condensar, e o vapor é descarregado junto com o lastro.

Sumário

Agora que você entende melhor como o óleo da bomba de gás é contaminado, da próxima vez será explicado como aplicar o lastro de gás, assim como suas vantagens e limitações.

Referências

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[2] Herring. Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume II, BNP Media, 2016;

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[9] Mr. Mario Vitale, Oerlikon Leybold Vacuum USA, Inc.  (www.oerlikon.com), private correspondence.

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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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[22] Metals Handbook, Volume 2: Heat Treating, Cleaning and Finishing, 8th Edition, ASM International, 1964;
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[24] Krauss, George, Steel Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, 1990;
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[27] Reti, Tamas, “Residual Stresses in Carburized, Carbonitrided, and Case Hardened Components,” Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, ASM International, 2002.

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O efeito do hidrogênio nas ligas de alumínio pode ser observado em um fenômeno conhecido como Oxidação em Temperaturas Elevadas (High-Temperature Oxidation, HTO), também chamado de Deterioração em Temperaturas Elevadas (High-Temperature Deterioration, HTD). Um estudo de caso envolvendo dispositivos fixadores usados na indústria aeroespacial, feitos das ligas de alumínio 2024 e 7075, no qual danos induzidos por hidrogênio foram encontrados após tratamentos de solubilização e envelhecimento, é um excelente exemplo deste tipo de fenômeno. Vamos aprender mais.

Em termos mais simples, a HTO (Fig. 1) é uma forma de difusão do hidrogênio que afeta camadas superficiais de peças durante tratamentos térmicos em altas temperaturas. Isso acontece, frequentemente, por conta da presença indevida de umidade na atmosfera dos fornos e, às vezes, é agravado por contaminações com enxofre ou outros resíduos refratários. Uma das formas mais comuns de manifestação da HTO é a de formação de bolhas de H2 (blisters) na superfície do material (Fig. 2). Este fenômeno também pode se mostrar na forma de vazios superficiais ou de descontinuidades internas. Os sinais da HTO são praticamente idênticos aos encontrados em lingotes que, devido a práticas impróprias de laminação, apresentam altos teores de gases em sua composição. As séries 7xxx de ligas de alumínio, seguidas pelas séries 2xxx, são as mais suscetíveis a esse tipo de problema [2].

Background

Dispositivos fixadores para a indústria aeroespacial estavam sendo fabricados a partir de barras laminadas das ligas de alumínio 2024 e 7075. Após a etapa de tratamento térmico e durante a sua montagem, as extremidades, ou “cabeças”, de vários fixadores encontravam-se fraturadas e separadas do restante do corpo, próximo do nível especificado para torque.

O setor de qualidade da empresa separou essas peças danificadas e as deixou em quarentena. Visualmente, era possível observar pites na superfície. Amostras dos materiais defeituosos foram analisadas nos laboratórios da própria empresa e por laboratórios independentes, a fim de se descobrir a causa raiz da falha.

Os tratamentos térmicos consistiam em aquecer as ligas 2024 e 7075 a 465°C e a 495°C, respectivamente, em forno elétrico com circulação de ar, e manter estas temperaturas por 75 minutos. A uniformidade de temperatura do forno era de ± 5,5°C.

Após o encharcamento nas temperaturas mencionadas, era aberta a porta de um alçapão, posicionado abaixo do cesto de deposição da carga; o cesto, por sua vez, era inclinado e as peças em seu interior, tombadas para fora do cesto e para dentro da calha de transporte. Esta última as levava para o tanque de resfriamento a água encontrado embaixo do forno. Por fim, as peças eram coletadas por um cesto perfurado, localizado abaixo da calha. A água no tanque de resfriamento, antes da imersão da peça recém-saída do forno, era mantida a 32°C por trocadores de calor. Durante o refriamento, a temperatura da água aumentava para 60°C.

A calha de transporte para têmpera continha uma área composta por tela de malha fina, localizada em torno da circunferência e estendida por, mais ou menos, 0,6 m abaixo do nível da água, de forma que o líquido no interior do tanque pudesse se mover livremente pela área da calha. Um tubo com uma série de orifícios projetados para aspergir água através do topo do tanque foi posicionado na linha d’água, com a finalidade de prevenir o vapor de subir e adentrar a câmara de aquecimento do forno, conforme as peças fossem tombadas.

Investigações Feitas no Laboratório

Amostras foram coletadas no campo de trabalho e analisadas de duas maneiras: (I) como recebidas, usando estéreo-microscopia, e (II) após preparação metalográfica para observação nos microscópios ótico e eletrônico de varredura. O corte das amostras foi feito com máquina de corte de precisão e seu preparo metalográfico realizado de acordo com a norma ASTM E3, usando, no embutimento, uma resina condutora adequada para análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV).

O MEV era equipado com um espectrômetro de energia dispersiva (EDS). Com o EDS foi possível fazer a avaliação das variações composicionais da superfície do material, usando tanto imagens obtidas por elétrons secundários como por elétrons retroespalhados (Fig. 3). Os resultados dessas análises foram documentados através da aquisição de fotografias digitais, incluindo os resultados de EDS, que correspondiam aos espectrogramas obtidos para cada área superficial estudada. Foram avaliados vários campos de cada amostra, de modo a se ter consistência nos resultados de composição química e de morfologia.

Como resultado final da análise, notou-se que a condição observada nas superfícies das peças defeituosas era de HTO. A presença de porosidade subsuperficial, induzida por HTO, fez com que as peças em quarentena fossem descartadas e, portanto, não mais usadas para produção.

Investigações Feitas no Campo de Trabalho

Com base nos resultados obtidos em laboratório, suspeitou-se de que a presença de vapor d’água na câmara de aquecimento fosse a causa raiz do problema. Se o vapor d’água estava se elevando a partir da calha do tanque de têmpera, ele poderia entrar no forno pelo alçapão e alcançar a câmara de aquecimento. Então, levantou-se a possibilidade da atmosfera de alta umidade ser a fonte de hidrogênio, que penetrou a superfície da peça durante o período de encharque.

Uma inspeção mais detalhada da área do tanque de têmpera revelou dois problemas distintos. Primeiro, o vaporizador localizado na linha d’água do tanque estava bloqueado, limitando a aspersão e, em alguns casos, impedindo que o vapor saísse pelos orifícios. Após desmonte, descobriu-se que os tubos e buracos do sistema de spray encontravam-se total ou parcialmente obstruídos por depósitos minerais e detritos. Um poço de água estava sendo usado para suprir o sistema. Apesar de não ter sido analisado, poços d’água são fontes conhecidas de depósitos minerais.

Segundo, a tela de malha fina usada para permitir o fluxo de água do tanque para a área da calha de transporte estava completamente bloqueada. Isso levou ao aumento de temperatura localizado na área da calha, formando o vapor que, depois, ascendeu ao forno. Todos os componentes do sistema foram limpos e um calendário de manutenção preventiva foi estabelecido. O problema não ocorreu novamente.

Conclusão

Estudos de caso são de valor inestimável e nos oferecem a oportunidade de compartilhar lições práticas aprendidas.

Danos induzidos por hidrogênio em dispositivos fixadores consistem em preocupações da indústria que, muitas vezes, são eliminados por tratamentos de remoção de hidrogênio (aquecimento dos metais na faixa de temperaturas de 175°C a 205°C). Todavia, fenômenos como a oxidação em altas temperaturas enfatizam a necessidade de o tratador térmico estar sempre atento e aplicado durante seu trabalho.

[1] Herring, Daniel H., Atmosphere Heat Treatment, Volumes I and II, BNP Media, 2014 and 2015;
[2] ASM Specialty Handbook: Aluminum and Aluminum Alloys, Joseph R. Davis (Ed.), ASM International, 1993, pp. 298-299;
[3] Dorward , R.C., “Strain-Activated Hydrogen Absorption during Heat Treatment of Al-Zn-Mg-Cu Alloy AA7475,” Oxidation of Metal, Volume 55, Nos. 1/2, 2001;
[4] Marquis, F.D.S., “Mechanisms of Formation of Hydrogen Porosity in 7X50 and 2X24 Aluminum Alloys, Effects on Mechanical Behavior,” Gas Interactions in Nonferrous Metals Processing, D. Saha (Ed,), The Minerals, Metals and Materials Society, 1996;
[5] Lumley, R.N., et. al., “Rapid Heat Treatment of Aluminum High-Pressure Diecastings,” Metallurgical and Materials Transactions A, Volume 40A, July 2009.

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O Doutor em Tratamento Térmico ama inovação e, mesmo que este artigo não tenha o propósito de fazer publicidade para alguma empresa ou produto e nem de ser comercial, alguns projetos de fornos a vácuo se mostraram muito interessantes aos olhos do Doutor e merecem receber nossa atenção. Vamos aprender um pouco mais.

Como todos sabemos, muitas aplicações atuais de engenharia têm alta importância e, por isso, demandam controle absoluto, reprodutibilidade de processos e a maior qualidade possível. As seguintes inovações em equipamentos – sem seguir alguma ordem de relevância – ajudam os tratadores térmicos a cumprir esses objetivos.

Inovação 1: Soluções para Processamento de Peças Complexas, Grandes e Pesadas

Fornos-carro a vácuo (Fig. 1) foram desenvolvidos para tratar componentes grandes, pesados e de longas extensões horizontais. Inicialmente, estes fornos apresentavam 3,6 m de comprimento de zona de aquecimento, depois, progrediram para 7,2 m e, eventualmente, foram construídos alguns com 11 m de comprimento. A maior vantagem desse tipo de forno é a capacidade de processar até 45 toneladas e, ao mesmo tempo, de incorporar elementos de aquecimento sob a carga e ao redor da zona de calor.

Demandas recentes das indústrias aeroespacial e nuclear levaram ao desenvolvimento de fornos com 14,6 m de comprimento e 2,1 m de diâmetro, capazes de tratar cargas de até 68 toneladas a 1315°C. Carros de duplo carregamento são usados para carregar/descarregar as duas extremidades do forno, diminuindo, assim, as perdas de tempo de produção (já foi provado que este método aumenta a capacidade do forno em até 30%) ao se trabalhar com cargas muito grandes.

Fornos-carro a vácuo têm a habilidade única de processar termicamente materiais sensíveis como as ligas de titânio, de zircônio, aços inoxidáveis endurecidos por precipitação e ligas de níquel, além de atender às especificações de limpeza de superfície dos materiais após os tratamentos térmicos. Isto é alcançado, em parte, pelas seguintes características:

– Os fornos possuem sistemas de vácuo altamente eficientes, que incluem bombas mecânicas triplas, propulsores de vácuo e bombas de difusão (Varian 35 polegadas);

– Parede interna fria de aço inoxidável, que se mantém inerentemente mais limpa do que uma parede fria de aço carbono;

– O carro do forno (ou seja, base removível do forno na qual o material a ser tratado é colocado e que fica exposta ao ar durante o carregamento) contém quantidade menor do que o normal de feltro isolante de grafite, diminuindo a contaminação do produto quando fora do forno.

Inovação 2: Soluções para Processamento do tipo Near-Net-Shape

A metalurgia do pó representa um dos mercados em que o crescimento rápido e a diversidade de produtos são características marcantes. Nesta área industrial, a moldagem de metais por injeção é uma das tecnologias near-net-shape (método de produção em que a matéria-prima atinge rapidamente a forma final desejada, precisando de menos etapas de acabamento superficial ou de nenhum acabamento) usadas para produzir componentes de alta performance e precisão, como dispositivos médicos e odontológicos, peças de telefones celulares, armas de fogo, fechaduras, entre outros. Materiais tipicamente usados são: aços inoxidáveis, aços baixa-liga, aços ferramenta, ligas especiais para aplicações magnéticas e de implantes, metais duros (WC-50, WC-10Co) e ligas refratárias.

Fornos a vácuo de câmara unitária (Fig. 2) consistem em uma das soluções (a outra solução corresponde ao vácuo contínuo) que permitem o processamento near-net-shape da ampla gama de materiais existentes. Estes fornos, dependendo do projeto específico, oferecem flexibilidade para escolha dos ciclos de tratamentos térmicos, determinação do melhor tipo de atmosfera para o processo em questão (argônio, hidrogênio, etc) e a possibilidade de se fazer debinding secundário (nota do editor: ou seja, extração do sistema aglutinante usado no corpo verde densificado, antes da sinterização) e sinterização das partículas em uma peça única.

Inovação 3: Manufatura Enxuta (Lean Manufacturing) por meio de Soluções de Processamento para Pequenas Bateladas

A integração dos tratamentos térmicos aos demais métodos de fabricação e de processamento tem sido o objetivo dos profissionais da área há muito tempo. Isso permite a sincronização com operações de usinagem macia (usinagem do material antes de tratamentos térmicos), para produção de pequenas bateladas de peças em linha e sob demanda, satisfazendo as necessidades dos centros de manufatura. A meta desta prática é reduzir o custo unitário de produção e aumentar a eficiência.

O processo apresenta benefícios importantes, como: menores tempos de ciclos (alcançados ao se otimizar processos de têmpera ou de cementação para pequenas bateladas), controle da superfície da peça, minimização das distorções da peça (enquanto a temperatura de tratamento é mantida uniforme) e reprodutibilidade dos ciclos (a empresa consegue produzir peças de igual qualidade, 24 h / 7 dias na semana).

As peças são alocadas em uma grade (Fig. 3, esquerda) que é, então, transportada pelo sistema para passar pelos tratamentos de têmpera ou de têmpera de superfície (cementação ou carbonitretação). No exemplo dado pela Fig. 3 (direita), lâminas serradas de aço rápido são temperadas a 1150-1200°C e mantidas nessas temperaturas por 5 a 7 minutos, a fim de se produzir a microestrutura desejada nos dentes e na região posterior da lâmina. Em outras aplicações, como cementação de engrenagens, temperaturas de austenitização de 1040°C são usadas.

Inovação 4: Soluções para Processamento do tipo Single-Piece ou Fluxo Contínuo

As indústrias continuam no esforço para desenvolver o verdadeiro fluxo contínuo de produção, ou Single-Piece Flow, e o sistema Unicase Master (Fig. 4) foi projetado para fazer tratamentos de têmpera, ou de endurecimento de superfície, para grandes volumes de engrenagens automotivas e mancais. O sistema transporta peças unitárias por todo o trajeto do processo, permitindo o aquecimento e a têmpera 4D (4D Quenching) individuais para cada peça. Com a têmpera em 4D, o gás de resfriamento (gás de têmpera) segue os contornos de cada componente que está sendo tratado. O método 4D Quenching representa, possivelmente, um avanço revolucionário para o controle de deformação de peças durante a têmpera.

O sistema Unicase Master é ambientalmente limpo, enxuto, ágil e satisfaz todas as demandas de produtividade das indústrias de engrenagens e mancais. Ao mesmo tempo, o sistema otimiza a flexibilidade de processamento e a velocidade operacional ao se utilizar das tecnologias de cementação a baixa pressão (LPC) e de têmpera a gás de alta pressão (HPGQ).

Considerações Finais

Progredir significa se movimentar em direção a um objetivo específico que, no caso da área de tratamentos térmicos, é oferecer as melhores soluções tecnológicas com os preços mais competitivos para outros setores da indústria. O progresso somente pode ser alcançado pela inovação e troca de ideias entre os profissionais da comunidade de tratamentos térmicos. Se o seu produto ou serviço não foi mencionado aqui, determine para sua empresa e para si o objetivo de estar presente nesta revista da próxima vez. O Doutor estará de olho.

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[1] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treatment, BNP Media, 2012;

[2] Mr. William R. Jones, Solar Atmospheres, technical contributions and private correspondence;

[3] Mr. Stefan Joens, Elnik Systems, technical contributions and private correspondence;

[4] Mr. William Gornicki, ALD-Holcroft, technical contributions and private correspondence;

[5] Mr. Maciej Korecki, SECO/WARWICK Corporation, technical contributions and private correspondence;

[6] Loser, Klaus and Volker Heuer, “Syncrotherm® – Heat Treatment System and Processes for Lean Production,” 2015 Heat Treat Conference & Exposition, Conference Proceedings, ASM International, Oct. 2015;

[7] Korecki, Maciej, “In-line, Low Distortion, Precision Case Hardening for the Automotive Transmission and Bearing Industries,” Conference Proceedings, Heat Treat Summit North America, SECO/WARWICK Corporation, Sept. 201.

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A Molécula de Água

Todas as substâncias são feitas de milhões de minúsculos átomos. Esses átomos formam pequenos grupos chamados de moléculas. Na água, por exemplo, cada molécula é feita de dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio (O), Fig.1. A fórmula para uma molécula de água é H2O (para formar um composto estável, são necessários dois átomos de hidrogênio para cada átomo de oxigênio).

Introdução ao pH

O termo pH é utilizado para descrever uma unidade de medida, a qual indica o grau de acidez ou de alcalinidade de uma solução. Ela é medida em uma escala de 0 a 14. O termo pH é derivado de “p” (símbolo matemático do logaritmo negativo) e do “H” (o símbolo químico do hidrogênio).

A definição formal de pH é o logaritmo negativo da atividade iônica do hidrogênio. E é expressa matematicamente pela fórmula

pH = – log [H+]

Assim, o pH fornece uma forma de expressar o grau de atividade de um ácido ou de uma base em termos da atividade iônica do seu hidrogênio.

O valor do pH de uma substância é diretamente relacionado pela relação das concentrações de íons de hidrogênio [H+] e de íons de hidroxila [OH-]. Se a concentração de íons de hidrogênio for maior do que a concentração de íons de hidroxila, o composto é ácido e o valor do pH é menor do que 7. Se a concentração de íons de hidroxila for maior do que a concentração de íons de hidrogênio, o composto será básico e o pH será maior do que 7. Se houver quantidades iguais de íons de hidrogênio e de íons de hidroxila presentes, o material é neutro e o seu pH é de 7.

Ácidos e bases têm, respectivamente, íons livres de hidrogênio e de hidroxila. Desde que a relação entre os íons de hidrogênio e a de íons de hidroxila seja constante para um dado conjunto de condições, cada um pode ser determinado, conhecendo-se o outro. Assim, a medição do pH pode ser feita em ambos, ácidos ou alcalinos, ainda que por definição seja a medição seletiva da atividade do íon de hidrogênio. Como o pH é uma função logarítmica, a mudança de uma unidade de pH representa uma mudança de dez vez na concentração de íons de hidrogênio (ou seja, de ambos os íons de hidrogênio e os íons de hidroxila em diferentes valores de pH, Tabela 1). Perceba que cada decréscimo no pH de uma unidade de pH significa uma aumento de 10 vezes na concentração de íons de hidrogênio.

A concentração de íons de hidrogênio em uma solução é muito importante para as coisas vivas. Isso se deve ao fato de que os íons de hidrogênio são positivamente carregados e eles alteram a carga do ambiente de outras moléculas em solução. Ao se aplicar diferentes forças nas moléculas, as moléculas podem ter sua forma normal modificada.

Uma substância que aumenta a concentração de íons de hidrogênio (diminui o pH) quando adicionada à água é chamada de ácida. A substância que reduz a concentração de íons de hidrogênio (aumenta o pH) é chamada de base. Finalmente, algumas substâncias permitem que as soluções resistam às mudanças de pH quando adicionados ácidos ou bases. Tais substâncias são chamadas de tampão.

Ácidos e Bases na Água

Quando um ácido é vazado dentro da água, ele faz com que seja cedido H+ (íon de hidrogênio) para a água (Fig.2). Quando uma base é vazada dentro da água, ela fornece OH- (íon de hidroxila) para a água.

Qualidade da Água nos Locais de Tratamento Térmico

A água é utilizada na maioria das nossas empresas de tratamento térmico para uma variedade de finalidades. Os exemplos podem incluir o resfriamento com água de rolamentos em circuladores de ar e rolos, selagem nas tampas de fornos poço, fornos contínuos com jaquetas para resfriamento com água, resfriamento superior ou lateral de câmaras, portas internas ou bobinas de chapa, geradores endotérmicos, selos (por exemplo, selos de óleo em fornos de soleira rotativa) e água de reposição para sistemas de água para nomear alguns.

As exigências de qualidade da água são frequentemente definidas de forma diferente para sistemas abertos (Tabela 2) e fechados (Tabela 3). Os sistemas abertos são tipicamente mais problemáticos porque a questão da qualidade da água varia. A água é frequentemente classificada como “mole” ou “dura” dependendo do seu teor de mineral. A água mole tem uma dureza ideal de aproximadamente 120 ppm. A água dura, em geral, resulta na formação de depósitos minerais, os quais podem levar a bloqueios no sistema de água (Fig.3).

Além disso, devemos nos assegurar de que a água sendo descartada das nossas operações de tratamento térmico esteja limpa e atenda aos padrões da EPA (Environmental Protection Agency, em português, Agência Ambiental Americana). Finalmente, nós devemos estar especialmente atentos para evitar contaminação cruzada de outras fontes na fábrica (por exemplo: polímeros, óleos de têmpera, reagentes químicos, etc.).

Conclusão

Como tratadores térmicos, se dermos por certo os nossos sistemas de água e fornecimento de água, podemos ter como resultado surpresas inesperadas, com tempos de parada indesejados e reparos caros. Isso vem para mostrar a importância daquelas duas pequenas consoantes que vêm juntas.

[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””] [/our_team]

[1] Herring, Daniel H.,Science Basics: pH, white paper, 2004;

[2] Re-impresso de staff.jccc.net/PDECELL/chemistry/phscale.html;

[3] Mr. Gary S. Berwick, Manager Air Cooled Systems, Dry Coolers Inc., comunicação particular;

[4] Water Quality in Hydronic Systems, INFO 29, pp. 1-2, Heat Link Group (www.heatlinkgroup.com);

[5] Herring, Daniel H., Atmosphere Heat Treatment, Volume II (em preparação).

[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””] [/our_team]

[1] Link do site do projeto: www.bv.fapesp.br/pt/auxilios/35174/desafios-tribologicos-em-motores-flex-fuel/

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A Ciência Revelada

Radiação

A radiação é o método de transferência de calor no qual não ocorre um contato direto entre a fonte de calor e o objeto sendo aquecido. Por exemplo, nós sentimos o calor do sol (Fig.1) mesmo que nós não estejamos o tocando. A radiação é também um aquecimento pela linha de visão, ou seja, se um objeto (como uma parte de um componente enterrado dentro de uma carga densa) não estiver diretamente no trajeto da energia radiante, ele não será aquecido enquanto os objetos ao redor (partes do componente, neste exemplo) não forem aquecidos e rerradiarem a sua energia térmica para o objeto enterrado. Este é o motivo da importância do espaçamento entre as peças em um forno de atmosfera em altas temperaturas e em fornos a vácuo.

A experiência do dia a dia ensinou que superfícies pretas ou opacas são melhores para absorver a energia térmica radiante do que superfícies brilhantes e refletivas. O que nem sempre nós prestamos atenção é que a energia radiante (a quantidade de energia térmica sendo radiada por segundo por unidade de área) é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta (Equação 1).

Desta forma, nós temos que ser extremamente cuidadosos quando aquecemos algo para assegurar que nós não iremos proporcionar um superaquecimento por radiação. É por isso, por exemplo, que as especificações aeroespaciais não permitem exposição direta das peças às fontes de aquecimento radiante (por exemplo, durante o tratamento térmico de solubilização do alumínio), o qual é realizado próximo da temperatura de fusão do material. A perda de calor por radiação pode ocorrer em qualquer situação, mas ela se torna mais importante à medida em que a temperatura aumenta. É por isso que os isolamentos dos fornos de alta temperatura precisam ser projetados de forma cuidadosa.

A taxa de transferência por calor radiante é dada pela Equação 1.

Q é o calor transferido em watts (Joule/segundo), A é a área da superfície em m2, K é uma constante (Stefan-Boltzmann), Fe e Fs são as emissividades do emitente e da superfície, respectivamente, e T é a temperatura do radiador e do receptor (em K).

Convecção

Em termos simples, a convecção ocorre quando um objeto (sólido) entra em contato com um líquido ou um gás que está em uma temperatura diferente. Sempre envolverá um líquido ou um gás em algum estado de movimento. Um secador de cabelo (Fig.2) é um exemplo simples no qual o ar aquecido sai do secador a uma velocidade tal que ele transfere a energia térmica para o objeto que ele atinge (mãos molhadas, cabelos molhados, etc.).

A taxa de transferência de calor por convecção é dada pela Equação 2.

Q é o calor transferido em watts (Joule/segundo), hc é o coeficiente de transferência de calor em W/m2-K, A é a área da superfície em m2, T é a temperatura em K e t é o tempo em segundos.

Condução

A condução ocorre quando dois objetos que estão em diferentes temperaturas entram em contato um com o outro. O calor flui do objeto mais quente para o mais frio até que ambos estejam na mesma temperatura. Um exemplo clássico de calor transferido entre dois corpos é quando uma colher de metal é deixada em um copo de café quente (Fig.3). Os sólidos são melhores condutores de calor do que os líquidos e os líquidos são melhores condutores de calor do que os gases. A taxa de transferência de calor por condução é dada pela Equação 3.

Q é o calor transferido em watts (Joule/segundo), k é a condutividade térmica do material em W/m.K, A é a área da superfície em m2, Tmais quente – Tmais frio é a diferença de temperatura por todo o material em K e L é a espessura do material em metros.

Enquanto a condução e a convecção necessitam de contato para transferir energia térmica, em contraste, a radiação não necessita de contato entre a fonte de calor e o objeto sendo aquecido. Assim, as transferências de calor de um objeto em uma temperatura específica por radiação e por convecção ocorrem de maneiras diferentes (Fig.4).

Sumário

No mundo real, é importante que tenhamos em mente como a energia térmica está sendo transferida para as peças que nós estamos processando de forma que possamos evitar problemas como o superaquecimento, subaquecimento, distorção e fusão da superfície e subsuperfície. Aqui estão mais alguns pontos importantes:

• Peças aquecidas por radiação (relação T4) irão receber energia térmica de forma muito mais rápida do que as peças aquecidas por convecção (uma relação T1);

• A transferência de calor por radiação, ao mesmo tempo em que é termicamente ineficiente em temperaturas abaixo de cerca de 540°C, se torna altamente eficiente conforme a temperatura aumenta. Esta é a razão dos fornos radiantes apresentarem uma dificuldade em relação à uniformidade de temperaturas durante o tempo de encharque em temperaturas baixas;

• A transferência de calor por convecção é termicamente eficiente em temperaturas baixas – até cerca de 650°C -, porém, muito menos eficiente conforme a temperatura aumenta;

• A transferência de calor por condução é responsável por levar calor para o interior de uma peça ou extrair calor do interior (núcleo) da peça. O tempo é um fator importante, no aquecimento ou resfriamento, para assegurar que o centro da peça tenha atingido a temperatura;

• Somente uma pequena porção da energia térmica fornecida para o forno ou mufla está disponível para aquecer a carga. O balanço se faz com as perdas devidas a uma variedade de razões (por exemplo, perdas de combustão, perdas pelas paredes, perdas nas aberturas, armazenamento do calor, etc).

[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””] [/our_team]

[1] Dick Bennett, Janus Technologies, correspondência particular;

[2] How Does Heat Travel, NASA (www.nasa.org or http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/light_lessons/thermal/transfer.html);

[3] European Space Agency (www.esa.int).

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