A impressão de um objeto sólido com pós metálicos usando “fatias” digitais de espessura micrométrica geradas a partir de um desenho assistido por computador não é o fim da história. Assim como com a fundição ou usinagem de componentes metálicos, é necessária uma série de pós-tratamentos térmicos para reduzir as tensões internas, aumentar a densidade e desenvolver a forma final, o acabamento e (mais importante) as fases microestruturais, resultando nas propriedades físicas desejadas.

Os componentes 3D-impressos destinados para aplicações aeroespaciais, nucleares, de turbinas a gás, marinhas ou médicas necessitarão de um tratamento de compressão isostática a quente adicional (HIP-Hot Isostatic Pressing) para densificar completamente o metal, eliminando poros que podem levar a falhas catastróficas (mais sobre isso mais tarde). Novas tecnologias HIP estão tornando possível realizar tratamentos térmicos no mesmo recipiente onde o HIP ocorre, tornando um processo de fabricação mais rápido, mais barato e mais eficiente energeticamente. As máquinas de impressão em metal 3D são variadas, mas vêm em dois tipos básicos: impressoras a laser de alta temperatura ou impressoras de feixe de elétrons e impressoras de binder-jet (utilizando um aglutinante) de baixa temperatura (Fig. 1).

Impressão de Metal 3D em Binder-Jet

A impressão 3D de metal com adição de aglutinante envolve a ligação de camadas finas de um metal em pó (por exemplo, Inconel) com um aglutinante líquido, que é deixado cair de uma cabeça de impressão para um leito de pó, semelhante à tinta de impressão em papel com uma impressora a jato laser. A cabeça de impressão segue um padrão gerado por computador de fatias microfinas do objeto a ser impresso.

Após uma camada de aglutinante ser impressa, o leito de pó é aquecido num processo de cura para ligar o aglutinante ao pó. Em seguida, o leito é abaixado e outra fina camada de pó é espalhada sobre o leito. Mais uma vez, o aglutinante líquido é depositado e ligado às camadas abaixo, eventualmente construindo o objeto camada por camada.

Enquanto o objeto “cresce” é suportado pelo enchimento de pó solto no leito de pó. Isto evita a necessidade de uma placa de construção ou estruturas de suporte de impressas, que teriam de ser removidas mais tarde. Após a impressão estar concluída, o excesso de pó é cuidadosamente aspirado (para ser reutilizado) e o objeto é então aquecido num forno para queimar o material aglutinante e sinterizar as partículas de pó.

Com outras tecnologias de impressão 3D de metais, como a sinterização direta a laser de metais (DMLS), uma fonte de calor direcionada em elevadas temperaturas (por exemplo, um feixe de laser ou de elétrons) aquece uma fina camada de pó em um padrão controlado por computador, que então resfria e liga-se às camadas anteriores. O aquecimento e o resfriamento rápidos e não uniformes das camadas provocam tensões residuais entre a placa de construção e o objeto e dentro do próprio objeto, que devem então ser aliviadas através do tratamento térmico de recozimento. Isto ocorre tipicamente em um forno a vácuo, no qual a peça é aquecida imediatamente abaixo da temperatura de transição do material e mantida durante o tempo suficiente para permitir que as tensões sejam aliviadas (recozimento do material).

Tratamento de Compressão Isostática a Quente (HIP) para a Manufatura Aditiva (MA)

Após o alívio de tensão (recozimento), os componentes podem necessitar passar pelo HIP para eliminar poros e curar defeitos, atingindo 100% da densidade teórica máxima. Tanto a compressão isostática a frio como a quente têm sido utilizadas há décadas para tratar peças fundidas a partir de alumínio em pó, aço e superligas, mas o HIP pode ser também utilizado para tratar objetos de metal 3D (Fig. 2).

“Todos os componentes estruturais ou críticos, tais como aqueles para aplicações aeroespaciais e médicas (Fig. 3) tendem a passar pelo processo HIP para garantir que o material atinja propriedades ótimas de fadiga e fluência”, disse Susan Davies, Ph.D., líder em tecnologia avançada HIP para fornecedores de serviços de tratamento térmico Bodycote.

O processo HIP envolve colocar o objeto impresso dentro de um vaso de pressão e então prenche-lo de gás inerte, tipicamente argônio, para aumentar a pressão em todos os lados da peça, incluindo superfícies internas, tais como as existentes dentro de um tubo. Para HIP, elevadas temperaturas são aplicadas ao mesmo tempo que a pressão de modo que o limite de elasticidade da liga seja excedido.

“Isso permite que qualquer porosidade da MA construída se feche ao deformar plasticamente a estrutura da matriz porosa e permite que os poros superficiais entrem em contato íntimo”, disse Davies. “A deformação plástica é então seguida por mecanismos de fluência e difusão, que permitem que as superfícies se encaixem e sejam ligadas para alcançar propriedades específicas do material”.

De acordo com Davies, diferentes processos de manufatura aditiva (AM) resultarão em diferentes formas de defeitos ou fraquezas na estrutura construída, de modo que os benefícios do HIP dependerão do processo real utilizado. Mesmo se um componente AM passar pelo processo HIP após alívio de tensão (recozimento), no entanto, ainda irá requerer tratamento térmico pós HIP para alcançar propriedades mecânicas ótimas comparáveis com forjado e ligas fundidas

Processo HIP Combinado com Tratamentos Térmicos

Como os tratamentos térmicos e HIP ocorrem em um forno, alguns fabricantes de HIP oferecem atualmente equipamentos capazes de executar HIP e tratamento térmico, o que pode reduzir o tempo de ciclo, aumentar a produtividade e proporcionar reduções significativas de custos.

“As pessoas estão se tornando mais conscientes do fato de que as taxas de resfriamento que você pode alcançar dentro de uma prensa isostática a quente são semelhantes ao que você pode fazer em um forno a vácuo – ou melhor”, disse Peter Henning, diretor de unidade de negócios AMD para HIP fabricante Quintus Technologies AB, Västerås, Suécia.

Resfriamento natural em um sistema HIP pode levar de 8-12 horas, bem mais da metade da duração do ciclo típico, de acordo com Henning. Em comparação, as unidades equipadas com tecnologia de resfriamento rápido podem facilmente resfriar uma carga de trabalho completa em um HIP de tamanho médio de 1260°C para 300°C em menos de 30 minutos.

Uma versão ainda mais avançada do HIP usa taxas variáveis de resfriamento e aquecimento e níveis de pressão para controlar com mais precisão a qualidade e as propriedades mecânicas das peças tratadas através de têmpera rápida. De acordo com Henning, taxas de resfriamento controladas até 3000°C / minuto podem ser obtidas combinando pressão e controle de temperatura (Fig. 4).

“No passado, HIP era estritamente quente, mas a mais recente tecnologia permite tanto as áreas quentes quanto as frias dentro do vaso de pressão”, disse Henning. “Áreas quentes em um forno de grafite podem chegar até 2000°C, e um forno de molibdênio chegam até 1400°C. Para a têmpera, você rapidamente substitui o gás comprimido da zona quente com gás frio comprimido de fora da zona quente, mas ainda dentro da câmara de pressão.

Como o gás argônio frio é altamente pressurizado, ele tem uma densidade maior do que a água, então atua como um agente de têmpera, semelhante ao óleo ou à água em pressões normais. As áreas frias dentro do HIP são mantidas a uma temperatura controlada por água de refrigeração fora do vaso de pressão.

Novas Possibilidades a Caminho

Esta tecnologia HIP-quenching possui benefícios além de aumento na produtividade e redução de custos. Isso abre caminho para novas possibilidades de projeto com base na têmpera e no resfriamento da maneira mais uniforme possível.

“Normalmente, você tem um resfriamento médio com uma temperatura fixa, então no início você tem uma grande diferença de temperatura (ΔT). À medida que o componente quente é resfriado e lentamente se aproxima da temperatura média de resfriamento, a ΔT muda ao longo do tempo “, disse Henning. “Se você colocar um pedaço com seções espessas e finas em um banho de têmpera, as seções irão passar por têmperas muito diferentes porque a parte fina adotará rapidamente a temperatura de resfriamento média, enquanto a parte espessa terá algum tempo para se ajustar a temperatura. Assim, você pode ter uma forma de trinca ou distorção por causa das tensões.

Em contraste, para a têmpera em um HIP, os componentes e o resfriamento médio podem começar à mesma temperatura e, em seguida, a ΔT entre o componente e o meio pode ser controlado ao longo do tempo, resultando em um resfriamento mais uniforme.

“Neste caso, o que fazemos é restringir o resfriamento da parte mais fina para a temperatura média de resfriamento “, disse Henning. “Podemos deter o resfriamento da seção mais fina enquanto se espera que a seção mais espessa resfrie e, em seguida, movemos gradualmente a seção mais fina até a temperatura final de resfriamento para que haja muito menos tensões térmicas formadas devido a diferentes temperaturas na região material.

Como benefício adicional, Henning disse que a utilização de gás comprimido para temperar, ao invés de água ou óleo, significa que não pode ocorrer agitação na superfície do componente, já que o meio de resfriamento é um gás.

Impressão 3D Otimizada

À medida que o mercado de impressão 3D de metal industrial cresce, os avanços na tecnologia e na prática de tratamento térmico continuarão a melhorar.

“Os componentes MA podem passar pelo processo HIP e serem tratados termicamente usando especificações convencionais, mas há uma oportunidade para otimizar o HIP e o tratamento térmico para componentes MA para minimizar a distorção durante o processamento”, disse Davies, da Bodycote.

Tecnologias melhoradas de tratamento térmico devem ajudar a reduzir custos e melhorar o desempenho das peças impressas em 3D.

“Com a densificação do HIP e o tratamento térmico simultâneo, o custo das operações diminui, e o HIP torna-se acessível a outros componentes de alto desempenho”, disse Henning.

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Antes de discutir estudos de caso, faz sentido rever brevemente o DOE, otimização e sua integração em ferramentas de simulação de processos como o DEFORM™. O DOE é um método sistemático para investigar parâmetros de projeto ou variações de processo. São feitas alterações estruturadas a uma ou mais variáveis de entrada de um sistema. Os efeitos que essas mudanças têm em variáveis de saída específicas são então avaliados. A otimização é um método iterativo usado para determinar automaticamente qual entrada fornece o melhor resultado dentro do espaço de design ou estudo. Um programa de controle interroga a resposta de um sistema relativo a entradas específicas. Ele atualiza as entradas em simulações subsequentes até que ele converge para o resultado “ótimo” sem defeitos.

A capacidade de simulação de múltiplas operações (MO) permite o estudo do DOE e otimização de variáveis a partir de diferentes operações em uma sequência de fabricação. Por exemplo, um estudo do DOE pode avaliar o efeito do tempo de aquecimento do forno, da geometria do tarugo inicial e da velocidade da prensa na operação de acabamento. Os estudos são criados pela definição de uma simulação MO nominal, criando um estudo do DOE e definindo variáveis, intervalos, restrições, outputs e um padrão de amostragem. Um processo em lote configura e executa todas as simulações necessárias. Isso pode envolver apenas algumas ou centenas de simulações.

A exploração de dados e de exibição são críticas desde que quantidades enormes de dados possam ser produzidas em um DOE ou estudo de otimização. O processo de simulação em lote produz um banco de dados visível para cada simulação. Além disso, as saídas do DOE são compiladas na forma de gráficos de resposta por superfície e sensibilidade para todo o espaço de design (estudo). Esse pós-processamento “estratégico” resume a influência de cada variável de entrada. No passado, o pós-processamento de 100 simulações levaria dias, agora ele pode ser feito em minutos. Vários DOE e estudos de caso de otimização foram publicados nos últimos anos. Dois exemplos que destacam como o DOE foram aplicados aos processos de forjamento são descritos a seguir. O primeiro caso envolve uma análise de forjamento comum, semelhante àqueles frequentemente executados por projetistas ou engenheiros de processo. O segundo modela uma operação de forjamento com a adição de uma subsequente análise de tensão em ferramental.

Análise do Forjamento

As conexões industriais são forjadas frequentemente em “placas”, um único forjado com várias peças posicionadas e encaixadas uma próxima das outras. As peças são posicionadas de forma a maximizar a eficiência da produção e minimizar o uso de material. Pequenas quantidades de rebarba faz a ligação entre as peças. Neste estudo de caso, uma placa de aço inoxidável 316 tem quatro encaixes alinhados ao longo do eixo longo da matriz. É sabido que, apesar do alinhamento ortogonal dos componentes, posicionar uma barra bruta paralela a este eixo resultaria em excesso de rebarba em algumas regiões e falta de preenchimento em outras. Portanto, a posição ideal da barra seria provavelmente em um ângulo.

Um DOE foi realizado com os objetivos de encontrar a orientação e o diâmetro ótimo da barra para produzir o forjamento em uma prensa pequena. Esta primeira operação na sequência do processo foi um simples recalque entre as matrizes planas. Ele criou uma pré-forma que foi então passada para uma operação de acabamento. O objetivo do DOE era minimizar a carga usada na operação de acabamento e ao mesmo tempo evitando defeitos como dobras e falta de preenchimento. A primeira variável do DOE avaliou diâmetros de barra entre 30,50 e 35,50 milímetros. A segunda variável DOE considerou os ângulos de rotação variando de 0 a 16 graus. As ilustrações dessas variáveis são mostradas na Figura 1. Um universo de amostragem usando o método de Latim Hypercube com um limite de 80 simulações foi aplicado a este estudo.

Uma superfície de resposta 2D mostrada na Figura 2, ela foi gerada a partir dos resultados do DOE. Seu contorno de cor revela a relação da carga de forjamento em função do diâmetro da barra e da rotação da barra. Se a carga de forjamento fosse a única consideração, o usuário teria selecionado a amostra que produziu a carga mais baixa. No entanto, a informação sobre a presença de defeitos foi considerada como uma restrição de projeto. Cada ponto de amostra na superfície de resposta indicou se a amostra falhou devido à falta de preenchimento, dobras ou ambos. Portanto, o projeto ideal foi a amostra que produziu a carga mais baixa e passou por todas as verificações de restrições. O projeto ideal foi um diâmetro de barra de 33mm e um ângulo de rotação de barra de aproximadamente 6 graus.

Uma análise posterior dos resultados do DOE forneceu ainda mais informações sobre o processo. Ao contrário da otimização, que só identifica um único local “ótimo”, DOE revela a resposta de saída em uma ampla gama de variáveis. Isto permitiu identificar não só as gamas ótimas, mas também “seguras”. No gráfico de resposta mostrado, a região realçada na parte inferior da banda amarela evitou defeitos ao atingir uma carga mínima. Foi estimado que um processo que visava às condições ótimas permitiria aproximadamente 2,7 graus de rotação de barra e ainda permanecerá quase ótimo.

Análise de Tensões no Ferramental

O segundo caso estudou uma engrenagem cônica de aço que foi forjada em duas operações, como mostrado na Figura 3. O tarugo cilíndrico foi forjado em uma pré-forma assimétrica na primeira operação, isto é, foi usada uma simulação 2D para assimétrica para cálculo. Esta foi seguida por uma operação de acabamento, que forjou os dentes da engrenagem. Experiências anteriores tinham mostrado que as grandes cargas para conformação, necessárias para preencher os dentes, também induziam tensões muito elevadas na ferramenta. Os estudos de DOE foram realizados para determinar o melhor formato de pré-forma. A forma ótima necessária para garantir preenchimento suficiente da matriz, evitou defeitos e minimiza as tensões na matriz de acabamento.

Uma sequência de simulação MO foi criada para o processo. A operação de pré-forma foi simulada como um modelo 2D assimétrico. Um comando do Deform 2D-para-3D converteu automaticamente o modelo 2D para um modelo 3D durante o tempo de execução da simulação. A seção transversal assimétrica foi girada a uma seção 3D de 18 graus para a operação de acabamento usando a simetria de rotação para meio dente da engrenagem. As variáveis de entrada do DOE consideradas foram as alterações da geometria do molde nominal. O ângulo de matriz superior e a profundidade do pino inferior da ferramenta de pré-forma foram as variáveis 1 e 2, como mostrado na Figura 4.

Ferramentas estatísticas e de simulação foram usadas para estudar os resultados do DOE. Isso começou com análises de sensibilidade para caracterizar a influência relativa das variáveis do DOE. Elas mostraram que as mudanças no ângulo da matriz superior eram mais significativas para reduzir os esforços no forjamento dos dentes do que as mudanças na profundidade do pino inferior. Elas indicaram que ângulos aumentados permitiram um fluxo de material mais externo e reduziram o estresse efetivo na operação de acabamento subsequente.

Uma gama de defeitos e preenchimento foi observada durante os refinamentos incrementais do estudo do DOE. Por exemplo, o aumento do ângulo superior da matriz acima do limite superior do estudo final produziu uma pré-forma de grandes dimensões. Esta forma gerou rebarba prematuramente na fase de forjamento dos dentes, resultando em desgaste excessivo da matriz e falta de preenchimento. Se este design de pré-forma tivesse sido selecionado, teria exigido uma peça maior para encher as matrizes de acabamento.

As superfícies de resposta 2D e 3D identificaram rapidamente o design da pré-forma que produziu o menor esforço sobre as ferramentas durante a operação final de forjamento. O gráfico de respostas na Figura 5 apresenta a tensão efetiva da matriz de acabamento em função das variações da geometria da matriz na pré-forma. As amostras que resultam nas tensões mais baixas estão próximas do centro superior. Esta área está associada com desenhos que têm um grande ângulo de matriz e uma geometria de pino curto. Contudo, como no exemplo anterior das conexões, selecionar a melhor opção para a produção não era tão simples quanto escolher a amostra com o valor ótimo.

Uma revisão cuidadosa dos resultados do DOE revelou o potencial para pequenas dobras na área rodeada de vermelho na Figura 5. As duas amostras com os pinos de matriz de pré-forma mais altos, mas desejavelmente baixas tensões, apresentaram ambos o defeito. A amostra adjacente foi o projeto ótimo, estritamente baseado em minimizar as tensões da matriz somente. Seria imprudente iniciar a produção usando parâmetros de alvo que estão no limiar da ocorrência de um defeito. Portanto, a opção ideal era escolher as condições de processo associadas à amostra que produziam um estresse ligeiramente maior (mas quase otimizado) e significativamente mais robusto.

Resumo

A simulação de processos é uma excelente plataforma para o DOE e estudos de otimização. Uma simulação individual é uma ferramenta madura e precisa para a concepção de produtos e processos. Portanto, é compreensível que um grupo de simulações possa substituir ensaios do chão de fábrica como uma experiência planejada. Quando dezenas ou centenas de ensaios são contempladas, o uso da simulação torna-se atraente. Isto é particularmente verdadeiro nos estudos multi variáveis numa cadeia de processo, tal como os exemplos descritos.

No futuro previsível, tais estudos serão geridos por engenheiros que podem avaliar os prós e contra entre um ótimo numérico e um processo robusto. Dito isto, os avanços na simulação fornecerão informações valiosas e oportunas sobre as alternativas de design, orientando os engenheiros para projetos de produtos e processos cada vez mais robustos.

Tradução gentilmente realizada pelo diretor da Mettalforma Ltda, representante da Deform no Brasil, Luciano de Assis Santana, telefone (11) 5092-3929, email: luciano@mettalforma.com.br.

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O presente artigo demonstra os resultados econômicos positivos obtidos por uma engenharia metódica e assistida pela simulação numérica. Assim, considera-se uma operação de forjamento por martelamento, sendo possível, no entanto, aplicar a metodologia utilizada a qualquer processo de conformação mecânica, incluindo forjamento por prensagem, matrizes abertas ou fechadas, extrusão e outros.

Martelamento

A conformação mecânica pode ser realizada com o uso de prensas ou marteletes. Conforme a complexidade da geometria da peça final desejada, pode ser necessário o desenvolvimento de operações anteriores à prensagem, ou ao martelamento, denominadas “operações de pré-forma”. Em uma operação de forjamento a quente, por exemplo, o tarugo é aquecido em um forno (Figura 1(a)) e em seguida conformado livremente (em matriz aberta) com o auxílio de um martelete (Figura 1(b)). Assim, a geometria obtida com o martelete é denominada pré-forma.

O martelo é um equipamento bastante eficaz na obtenção de peças complexas, com relativa grande massa metálica, através da deformação plástica. A Figura 2 mostra um martelo de forjamento típico no qual a matriz superior é acoplada a um sistema que se eleva, acumula energia potencial e utiliza essa energia para golpear o tarugo, ou pré-forma. Não raramente, os martelos possuem uma aceleração por ar comprimido, maximizando a energia do golpe de forjamento. Uma vez que a energia empregada pelo martelo é transformada, principalmente, em deformação plástica, além de perdas para todo o sistema, podem ser necessários vários golpes de forjamento em uma mesma peça de trabalho para que se obtenha a geometria final.

Conformar uma peça a altas temperaturas é uma alternativa para se reduzir a energia necessária durante as operações de martelamento, além de permitir maiores deformações plásticas ao material sem que este sofra fraturas durante o processamento. Para demonstrar esse fato, a Figura 3 mostra as curvas de escoamento de um aço SAE 3310, obtidas através do software JMatPro[3], para diferentes temperaturas do material. Observa-se que à temperatura ambiente (25 °C) as tensões necessárias para se deformar plasticamente um material são bastante elevadas quando comparadas com as tensões para o mesmo material a temperaturas acima de 1.000 °C. Com isso, o forjamento a quente é facilitado em detrimento do forjamento a frio, uma vez que o material se torna menos resistente mecanicamente[4].

Além da influência da temperatura no comportamento do material durante a conformação mecânica, a velocidade com que a deformação ocorre também influencia no comportamento do material[4]. Especialmente em operações de martelamento, a velocidade de impacto da matriz contra o tarugo e, consequentemente, a velocidade de deformação desse tarugo são muito elevadas. Uma vez que a deformação pode ser definida, a velocidade com que se deforma o material pode ser descrita como a quantidade de deformação por unidade de tempo, em segundos, resultando no que pode ser chamado de “taxa de deformação”, usualmente dada em “1/s” ou “s-1”. No martelamento, as taxas de deformação podem ultrapassar 1.000 s-1. A influência dessa elevada taxa de deformação sobre a resistência mecânica do material sendo forjado está exemplificada na Figura 4, obtida através do software JMatPro. Observa-se que a curva de escoamento de um dado material metálico a quente aumenta sua resistência à deformação à medida que sua taxa de deformação (velocidade de processamento) aumenta. Ainda, é possível perceber que elevadas taxas de deformação postergam para maiores deformações o processo de rescristalização dinâmica do material em relação a sua deformação plástica sofrida. Vale ressaltar que o aumento da resistência mecânica com a taxa de deformação é maior quanto maior for a temperatura de processamento do material.

Custos

Diante de um processo de fabricação complexo, como é o caso da indústria de forjamento, a tarefa de se elaborar cotações para cada novo produto, solicitado pelo cliente, possui variáveis de relevante incerteza. É necessário considerar custos relativos à quantidade de matéria prima, custos de operação como corte, forjamento, tratamento térmico e acabamento, além de inspeção e custos administrativos.

Com o intuito de se exemplificar o processo de formação de preço em uma forjaria, observa-se a Tabela 1. Os dados correspondem a um caso hipotético, no qual a empresa realizou a previsão de custos e preço de venda, objetivando uma margem de lucro de 40%. No entanto, após apresentação dos preços ao cliente, houve a necessidade de negociação dos valores de venda. Com o intuito de conseguir o cliente e garantir o faturamento, a forjaria aceitou reduzir sua margem de lucro. A Tabela 2 mostra a modificação na previsão de lucro após a negociação do preço de venda para os cinco tipos de peças. É notório que a negociação do preço tem influência direta na receita e, portanto, no lucro da empresa.

De toda maneira, mesmo após a negociação dos preços de venda com o cliente, a empresa continuou gerando lucro. As finanças se mantiveram saudáveis, mas o risco de sobrevivência da empresa aumentou. Então, após o recebimento da Ordem de Compra, foi realizado o “try-out” das novas peças solicitadas pelo cliente. Contudo, observou-se que, para o presente caso hipotético, os custos de fabricação das peças “A” e “B” são na realidade maiores do que o previsto anteriormente durante a fase de cotação de preços. Inclusive, a peça “A” não somente teve seu custo de fabricação aumentado, mas também passou a gerar prejuízo para a empresa.

Sendo a peça “A” um produto estratégico na relação da empresa com o cliente, decidiu-se manter a fabricação da peça “A”, tendo em vista que o cenário ainda resulta em lucro frente à carteira de cinco produtos desse cliente. No entanto, um eventual aumento na quantidade de peças “A” passa a ter efeito direto na redução do lucro da empresa, fazendo com que essa relação fique comprometida. A Tabela 4 mostra o efeito na previsão de lucros caso o cliente aumente o pedido referente à peça “A”.

Em suma, a Figura 5 mostra a evolução do lucro resultante para uma determinada carteira de produtos. A primeira previsão (Figura 5(a)) considerou 40%. Após a negociação com o cliente, a previsão de lucro foi reduzida para 22% (Figura 5(b)). Em seguida, com a Ordem de Compra e o try-out realizado, ajustou-se o custo de fabricação de algumas peças, impactando na previsão (Figura 5(c)). Finalmente, considerou-se um eventual aumento na quantidade de uma peça com margem negativa, situação essa que comprometeria ainda mais a margem de lucro (Figura 5(d)).

Portanto, compreende-se que a metodologia de formação de preço e determinação da margem de lucro até aqui demonstrada constitui um cenário usual na indústria do forjamento. Esse procedimento pode inviabilizar o atendimento ao cliente, impactando na negociação e comercialização de produtos e até mesmo na sobrevivência ou evolução de uma companhia. A Figura 6 mostra um resumo da prática industrial comum na formação de preços, sendo essa entendida como danosa à saúde financeira da empresa. A continuação do presente artigo propõe e demonstra a modificação dessa prática, maximizando a assertividade na cotação de novas peças, além de propiciar o desenvolvimento de melhores práticas no processo de forjamento.

O autor Stemler, P.M.A. é graduado em Engenharia Metalúrgica pela UFMG e Assistente Técnico pela 6Pro Virtual&Practical Process (pedro.stemler@sixpro.pro). O coautor Haase, O.C. é graduando em Engenharia Mecânica pela UFMG e colaborador pela empresa 6Pro Virtual&Practical Process (olavo.haase@sixpro.pro). O coautor Oliveira, F.S. é Engenheiro de Processos em forjaria parceira* e o coautor Oliveira, S.F. é Gerente Industrial na mesma (contato@sixpro.pro). O coautor Lobenwein, R.R. é Engenheiro Mecânico pela UFMG com larga experiência no setor comercial e Gerente Comercial pela 6Pro Virtual&Practical Process (rodrigo@sixpro.pro). O coautor Duarte, A.S. possui pós-doutorado na área de Metalurgia da Transformação, é Professor pela UFMG e pela PUC Minas e Consultor Técnico pela 6Pro Virtual&Practical Process (alisson@sixpro.pro). *A apresentação dos resultados foi autorizada pela forjaria parceira, exceto o seu contato.

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Seja homogeneização de alumínio para aeronaves após a fundição ou solubilização em solução aplicada em alumínio forjado e fundido para componentes de automóveis e aeronaves, os usuários finais necessitam a melhor performance de um forno de tratamento térmico.

O Que É Homogeneização do Alumínio

“Quando o alumínio é fundido, os elementos de liga não estão uniformemente distribuídos na microestrutura”, diz Gary Schmauch, Metalurgista aposentado e Gerente de tratamento térmico/acabamento pela Kaiser Aluminum. “Sendo assim, utilizamos o processo de homogeneização para reduzir a microssegregação. Algumas ligas e usos finais não necessitam controles muito rigorosos na homogeneização, mas as ligas mais recentes de alta resistência para aeronaves terão resistência a fratura muito maior, vida em fadiga, etc., se nós podemos eliminar o quanto possível da microssegregação.”

“Também melhora a resistência à corrosão para iguais ou melhores resistências. Em ligas aeroespaciais, como também em outras aplicações, desejamos homogeneizar os lingotes (aqui eu estou me referindo a barras redondas e placas) o mais próximo do ponto de fusão incipiente do metal quanto for possível. É por isso que pedimos por controles tão rigorosos nos fornos. De fato, usamos práticas de homogeneização seguindo duas etapas na maioria das ligas, especialmente para materiais aeroespaciais. Iremos homogeneizar o material em uma levemente menor temperatura de homogeneização e então aumentar a temperatura após nós dissolvermos primeiro o constituinte de menor ponto de fusão. Quanto maior a temperatura que pudermos levar a homogeneização sem começar a fundir o lingote, melhores serão as propriedades finais para as ligas críticas.” Schmauch adicionou.

Forno de Homogeneização

Fornos de homogeneização atuais necessitam incorporar algoritmos de controle complexos juntamente com pressão dinâmica e sistemas de controle da circulação de ar para alcançar tolerâncias tão rigorosas quanto +/- 0,7°C na faixa da temperatura de homogeneização de 400-620°C. De acordo com Schmauch, quanto mais justa for a tolerância, mais seguro é se aproximar da temperatura de fusão eutética e então reduzir a microssegregação o máximo possível. Quanto mais próximo da temperatura de fusão o forno e o alumínio puderem chegar, melhores serão os parâmetros exigidos como resistência, resistência à corrosão, vida em fadiga e resistência à fratura.

Embora a norma AMS 2750E permita que o teste TUS (Temperature Uniformity Survey, Teste de Uniformidade de Temperatura) seja realizado com ou sem carga, confirmando a uniformidade com a carga representativa é mais crítica.

“A característica importante aqui não é a habilidade do forno de manter uma tolerância muito próxima quando avaliado com termopares no ar, mas a uniformidade da temperatura que pode ser alcançada com cargas de produção”, diz Schmauch. “As exigências feitas pelas especificações para atingir um controle de temperatura excelente com a avaliação de termopar no ar não são suficientes. A precisão do forno deve ser estabelecida com tipos de cargas usados em produção, os quais exigem montagens de cargas que representem cargas de produção e, então, usar esta configuração durante a homogeneização do metal produzido. Se o grupo de produção decidir que necessitam modificar as configurações da carga, então o forno necessita ser recertificado com a nova configuração de carga também.”

O impacto de um desempenho ruim do forno pode ser severo. De acordo com Schmauch, se a uniformidade da temperatura do forno não for boa o suficiente, a liga de alumínio pode exceder as temperaturas eutéticas e causar fusão, como também causar porosidade, o que provavelmente seria a causa do material não possuir as propriedades esperadas ou pode impactar na resistência a corrosão e na vida em fadiga. No outro extremo, se uma porção do material não ficar quente o suficiente por causa de um ponto frio no forno, então as propriedades do metal que está sendo processado não serão uniformes. A área fria terá menor resistência, menor vida em fadiga, menor resistência à fratura, e possivelmente menor resistência à corrosão e menor formabilidade. Todos estes levam a um produto inferior ou rejeitado.

Muitos dos fornos atuais sofrem de uma uniformidade precária como também aquecimento lento para atingir temperaturas uniformes.

“Para muitas aplicações aeroespaciais, os fornos de homogeneização não possuem o controle de temperatura que permita alcançar as temperaturas de homogeneização necessárias para um melhor desempenho do metal,” ressalta Schmauch. “Muito do trabalho feito nos últimos anos mostrou a importância de controlar as práticas de homogeneização na temperatura próxima do ponto de fusão do metal e que isso pode melhorar as propriedades desejadas. A outra grande questão é não possuir capacidade suficiente. Em termos de laminados, nós chamamos que está fora da tempertura, o que significa que temos de fechar a linha quente por um período de tempo para alcançar a homogeneização e/ou pré-aquecendo lingotes para prepará-los para laminação.”

“Se uma empresa está produzindo materiais aeroespaciais, então terá certamente vantagem ao aumentar a uniformidade de fornos de homogeneização mais antigos,” diz Schmauch, que completa dizendo que existem outras aplicações para controle mais próximo, especialmente se for acoplado com um aquecimento mais elevado e taxas de resfriamento maiores porque é o que impacta a produtividade.

O Que É o Tratamento Térmico de Solubilização do Alumínio?

O tratamento térmico em solubilização do alumínio é o aquecimento de uma liga para uma temperatura adequada, mantendo naquela temperatura por tempo suficiente para fazer com que um ou mais constituintes entrem na solução sólida e então resfriar rápido o suficiente para manter esses constituintes em solução. Isto é frequentemente seguido por um processo de endurecimento por precipitação para aumentar o limite de escoamento da liga.

Forno de Solubilização

Assim como foi descrito para a seção de forno de homogeneização, as propriedades da liga podem ser muito afetadas pela uniformidade da temperatura do forno do processo. Existem muitos tipos de fornos, incluindo carga em cestos, batelada ou tipo bombardeiro. O tipo de sistema escolhido é tipicamente baseado e uma variedade de fatores, incluindo volume de produção, exigências para têmpera, taxas de aquecimento, flexibilidade, orçamento e preferência do cliente final. Apesar de todos estes, um fator comum para a maioria dos fornos de solubilização é a necessidade de um controle mais rigoroso de temperatura e de uniformidade.

Na indústria aeroespacial, fornos tipo bombardeiro são tipicamente usados porque há necessidade por controles de temperaturas mais rigorosos, tempos de têmpera mais rápidos aquecimento rápido. Este design permite que a taxa de têmpera seja tão rápida quanto 5 segundos e uniformidades na temperatura com precisão de +-0,5°C, o que é alcançável através de engenharia avançada em sistemas de controle na recirculação do ar. Estas uniformidades rigorosas provaram serem efetivas no controle da distorção de componentes aeroespaciais críticos.

A uniformidade na temperatua permanece crítica quando o cesto de carga ou o sistema de forno contínuo é escolhido, mas estes tipos de sistemas vão provavelmente exigir sistemas de recirculação de ar com uma engenharia diferente para seguir as especificações de uniformidade. Em adição, muitas vezes o problema mais difícil a se resolver com estes tipos de fornos é a taxa de tratamento térmico e a consistência entre as peças. Sem um apropriado sistema de recirculação de ar, peças em diferentes níveis ou em diferentes cestos podem obter diferenças significativas em seus ciclos de tratamento térmico, exigindo tempos de processamento maiores com resultados metalúrgicos variados. Em muitos casos, mesmo que todas as peças possam seguir as exigências esperadas, os usuários finais estão se tornando extremamente críticos sobre as curvas de tempo/temperatura com grandes discrepâncias entre as peças.

Imediatamente após o processo de solubilização estar completo, o material necessita ser resfriado para preservar a solução sólida. O processo de resfriamento é provavelmente o tratamento mais crítico, especialmente com os novos materiais de hoje e as necessidades dos clientes. Enquanto muitos dos materiais são resfriados seja em água ou em uma mistura de água/glicol, tecnologia de têmpera a ar se tornou extremamente importante no processo de tratamento térmico e solubilização.

Resfriamento a Ar

Muitos clientes finais estão exigindo melhores propriedades de materiais, maior controle de resfriamento e tensões residuais reduzidas. Ao utilizar um customizado sistema de distribuição de ar para resfriamento a ar, é agora possível encontrar estas novas demandas. Muitos novos materiais fundidos, incluindo blocos de motor e cabeça do cilindro, exigem taxas de resfriamento com ar de até 120°C/minuto. É também crítico ter resfriamento muito consistente de peça a peça mas também ter a opção de processar múltiplas peças simultaneamente para oferecer maior flexibilidade.

Para ajudar no projeto destes sistemas complexos de distribuição de ar,  CFD (Computational Fluid Dynamics, Fluidodinâmica Computacional) é incorporada em um projeto de processo.

“CFD é um ramo de mecânica dos fluidos que utiliza análise numérica e algoritmos para resolver e analisar os problemas de escoamento de fluido,” disse o Dr. Joe Zhao, Gerente de pesquisas e desenvolvimento (P&D) da ITS (Internation Thermal Systems). “Os poderosos softwares atuais podem providenciar simulações com resultados confiáveis e precisos. Na indústria de fornos, ITS está liderando o limite da tecnologia ao utilizar CFD para simular o escoamento de ar em um sistema de distribuição inteiro, incluindo a entrada para ventilação, fornecimento de rede de dutos e bocais, e retornar a rede de dutos e sua influência sobre o produto. Ao utilizar esta simulação CFD como parte de um projeto de processo, um sistema de distribuição de ar otimizado pode ser cientificamente alcançado”.

Sistemas avançados de resfriamento a ar utilizam controles variáveis de pressão do ar e velocidade, sistemas de distribuição de ar de alta pressão e sistemas de controle inteligentes avançados para conseguir essas exigências inconstantes. Com a importância do volume e flexibilidade, a necessidade de sistemas de resfriamento a ar projetados capazes de não apenas lidar com uma peça por vez ou com múltiplas simultaneamente enquanto mantém controle preciso, é cada vez mais crítico para atingir a demanda dos materiais atuais. Sistemas de resfriamento a ar capazes de processar uma a 180 peças simultaneamente pode permitir aos fabricantes a flexibilidade de atingir as demandas industriais.

Conclusão

Seja homogenizando alumínio aeronáutico após fundição ou solubilizando alumínio de componentes automotivos ou aeroespaciais forjados ou fundidos, uniformidade e tolerâncias rígidas em fornos e controle preciso na distribuição de ar continuam sendo fatores críticos em sistemas de tratamento térmico de alumínio. Todos os fornos e sistemas de controle de ar são criados de formas diferentes. Um maior entendimento das tecnologias que estão disponíveis levará a produtos finais de maior qualidade com maior controle de processos e flexibildade.

Para mais informações: Kurt Willms, Gerente da divisão de fornos da Sistemas Térmicos Internacionais LLC (ITS), 4697 West Greenfeld Avenida, Milwaukee, Wisconsin – EUA; tel: +1 414-902-5304; fax: 414-672-8800; e-mail: kurt.willms@itsllcusa.com.

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Na primeira parte deste artigo (publicado na edição de Março da IH Brasil), nós falamos sobre dois processos de nitretação: a gás e em banho de sal. Olhamos para os problemas resultantes destas duas técnicas. Este artigo irá focar na nitretação por íon/plasma e na solução de seus problemas. Também discutiremos alguns problemas gerais sobre nitretação.

A camada de nitretos formada ocorre normalmente como mostrado na Fig. 1. A verdadeira construção da camada depende da composição do aço a ser tratado. Por exemplo, a concentração de carbono do aço irá contribuir para a maneira como a camada composta (camada branca) irá se formar.

De forma geral, a camada composta deveria formar aproximadamente 50% do nitreto épsilon e aproximadamente 50% dos nitretos gama primários. Os nitretos estáveis irão se formar com os elementos formadores de nitretos abaixo da camada composta. O verdadeiro sucesso do processo de nitretação é o tratamento de pré-aquecimento anterior ao acabamento por usinagem e nitretação subsequente.

Nitretação Iônica

Nitretação iônica é também conhecida como nitretação de descarga brilhante ou nitretação a plasma (Fig. 2). O processo está ganhando muita popularidade na América do Norte devido à legislação para efluentes de processo, especificações de engenharia europeia e uma crescente preocupação com a reprodutibilidade e a consistência metalúrgica devido ao controle computacional (Fig. 3). É necessário compreender que existem dois tipos de sistemas de energia: fonte em corrente contínua e fonte em corrente pulsada. Também existem dois tipos de fornos de nitretação iônica/a plasma, por parede fria e parede quente  (Fig. 4).

Superaquecimento da Peça

Superaquecimento é normalmente resultado das peças estarem muito próximas entre si e é conhecido como “efeito do catodo oco”. Este efeito pode ser geralmente visto durante o processo ao olhar através de um visor de vidro. A área específica que é sujeita ao efeito do catodo oco pode ser vista às vezes brilhando em temperatura visível. Após o processo ser completado e a peça for retirada da câmara, pode ser identificado como partes escuras na peça. Também pode ser medido em termos de dureza. A área afetada da peça terá menor dureza superficial do que o resto do componente.

A peça pode também ser superaquecida pelas variações de corrente e tensão do processo. Isto pode ser causado simplesmente por valores incorretos usados tanto no controlador do processo ou no computador (caso o processo seja controlado por computador). O superaquecimento pode também ser resultado de um valor incorreto de temperatura utilizado.

Qual é a temperatura correta de processo a ser usada? Isso vai depender de:

– A composição do aço que será usado para a produção da peça;
– A temperatura de revenimento do tratamento de pré-aquecimento;
– A superfície requerida pela metalurgia.

Um aspecto muito importante de uma temperatura não uniforme de processo durante o procedimento de nitretação e no procedimento da câmara é que irá causar grandes variações no componente. Assim sendo, o carregamento da câmara de processo é extremamente importante para assegurar que o efeito do catodo oco não ocorra. Além disso, é importante que os termopares do processo sejam posicionados na área de carregamento que irá melhor representar a temperatura de processo na superfície da peça. É igualmente crucial que os valores de controle de processo sejam conhecidos como “bons valores” de testes anteriores.

Perda de Nitretação

Durante a observação das condições de processo através de um visor de vidro no forno, se existirem áreas da peça sendo tratadas sem uniformidade no brilho do plasma, significa apenas que a pressão selecionada do processo está incorreta e que o valor é muito elevado. Se esta condição ocorrer, é mais importante corrigir isso porque nenhuma nitretação acontecerá onde não houver brilho. Isso significa que não haverá camada ou será extremamente rasa. A maneira em que essa condição é corrigida será para verificar que não existem vazamentos no vaso (lembre-se, o processo está acontecendo em condições de pressões parciais). Se não existirem vazamentos, a pressão de operação deve ser reduzida até que o brilho reapareça na área em que não foi havia aparecido ainda.

Descarga de Arco

É encontrada normalmente em sistemas de corrente contínua, mas pode ocorrer também nos sistemas de corrente pulsada (embora com menor frequência). A causa é de uma tensão de processo muito elevada, então a solução seria a de simplesmente reduzir a tensão até que a descarga pare. A descarga de arco é vista como uma descarga de relâmpago em miniatura dentro da câmara e irá ser atraído para cantos vivos no componente, o que irá resultar em um superaquecimento localizado e provavelmente em queimadura superficial/fusão localizada. A correção é reduzir a tensão de processo ou alterar a pressão do processo.

Lascamento da Peça

É encontrada com mais frequência em cantos vivos. O motivo mais provável é a “rede de nitretos”. Isso significa que o canto que lascou foi supersaturado com nitrogênio. Esta condição pode aparecer também em nitretação a gás e em banho de sal. Isso acontece porque há muito nitrogênio presente no canto devido ao “efeito de borda”. Nitrogênio é solúvel em ferro até aproximadamente 7% em volume (máximo). Quando ocorre a supersaturação, o nitrogênio precipita da solução durante o resfriamento do processo e se estabiliza nos contornos de grão localizados nos cantos do componente (Fig. 5). A solução neste caso é reduzir o nitrogênio do processo ou arredondar os cantos do componente.

Outros Problemas em Nitretação

Como lascamento da peça, alguns problemas de nitretação podem ocorrer; independentes do processo utilizado.

Baixa Dureza de Superfície

O motivo provável é a baixa disponibilidade de nitrogênio com nitrogênio inadequado na solução com o aço para formar nitretos suficientemente estáveis na superfície. Outra condição que pode ocasionar a baixa dureza de superfície é se o aço for muito pobre em elementos de liga formadores de nitrogênio. A solução é alterar o aço usado para produzir a peça ou aumentar o nitrogênio e assim aumentar o potencial de nitrato no gás de processo.

Escamação da Superfície

A razão desta condição é frequentemente um contaminante de superfície que foi carregado para o processo pela peça. Simplesmente verificar o método de produção para o tipo de líquido refrigerante ou fluido de corte utilizado durante a pré-usinagem e então checar o método de pré-limpeza anterior ao procedimento de nitretação.

Alguns contaminantes podem ser removidos por limpeza via pulverização no começo do processo de nitretação a plasma utilizando hidrogênio como o gás de limpeza. Se o hidrogênio não for suficientemente agressivo, uma mistura de hidrogênio/argônio pode ser usada. Seja cauteloso com o uso de argônio porque este gás possui um peso atômico que pode causar gravuras na superfície. O volume máximo de argônio sugerido seria 10% com 90% de hidrogênio. Geralmente a razão da mistura é de 5% de argônio e de 95% de hidrogênio.

Conclusão

Nitretação é um processo muito útil para desenvolver propriedades para determinadas operações. Não pode substituir outros métodos de endurecimento da superfície, e não é um processo sem desafios. Esperamos que este artigo em duas partes tenha mostrado diferentes técnicas e que as sugestões de soluções para os problemas possam te ajudar a produzir peças nitretadas com maior qualidade.

Para mais informações: David Pye, Pye Metallurgical International Consulting; Saint Anne’s on Sea, Lancashire – Reino Unido; e-mail: pye_d@ymail.com; web: www.heat-treatment-metallurgy.com.

Referências

[1] Some Practical Aspects of the Nitriding Process, McQuaid H.W. and Ketcham W. J., Transactions American Society of Steel Treaters, 1928;
[2] Adolph Fry. US Patent 1,487,554 18 March 1924;
[3] Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing, Chapter 17 Troubleshooting. Pye D., ASM International, 2003.

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Os principais metais refratários são o Tungstênio (W); Molibdênio (Mo); ligas de Molibdênio-Lantânio (MoLa) com 0,3%, 0,6%, ou 1,1% de La2O3 (porcentagem em massa); ligas de Molibdênio (TZM) com 0,5% Ti e 0,08% Zr; Tântalo (Ta) e Nióbio (Nb). Um dos componentes mais importantes para fornos de elevada temperatura é o elemento de aquecimento (Fig. 1). Para encontrar um material adequado para esses componentes e seu formato de projeto, os engenheiros necessitam seguir algum critério padrão, incluindo:

A – O tipo de processo a temperatura de trabalho versus a atmosfera versus o produto de tratamento térmico;

B – A capacidade de aquecimento considerando toda a perda de calor tanto como a taxa de aquecimento;

C – Parâmetros geométricos de elementos de aquecimento, tais como largura, comprimento e espessura para aquecedores do tipo tira metálica, diâmetro interno para elementos como hastes; diâmetro interno e externo no caso de elementos tubulares diâmetro do fio, diâmetro do mandril, número de bobinas paralelas, passo da bobina e a razão da superfície total na área frontal para elementos de malha;

D – Tipo de conexão elétrica (por exemplo, transformadores do tipo estrela, delta ou Scott);

E – Parâmetros específicos elétricos, físicos e de resistência os quais pertencem aos seguintes critérios:

i. Radiação da superfície (W/cm2) em temperatura de trabalho;

ii. Emissividade na temperatura de trabalho;

iii. Resistividade (Ohm mm2/m) na temperatura de trabalho – para cálculo de resistência substituta (Ohm) para completo controle de zona de aquecimento, tamanho e tensão secundária do transformador (tensão, kW) e finalmente corrente nos amplificadores de alimentação (amperagem-corrente);

iv. Propriedades mecânicas como módulo de elasticidades (Fig. 2), coeficiente de expansão linear (Fig. 3) e máxima resistência à tração.

Metais Refratários da H.C. Starck

Ao escolher um metal refratário para uma aplicação em fornos, devem ser consideradas as condições de operação e as propriedades do produto que será processado. A Tabela 1 mostra a compatibilidade dos metais refratários mais usados com atmosfera do forno, e a Tabela 2 mostra a compatibilidade com os refratários comuns.

Metais refratários como o Tungstênio (W); Molibdênio (Mo); ligas de Molibdênio-Lantânio (MoLa) com 0,3%, 0,6%, ou 1,1% de La2O3 (porcentagem em massa); ligas de Molibdênio (TZM) com 0,5% Ti e 0,08% Zr são as “melhores escolhas” para processos metalúrgicos e para produção de peças que devem terminar brilhantes e limpas. Esses processos sensíveis incluem soldagem por difusão, brasagem de alumínio, recozimento, alívio de tensão, desgaseificação e limpeza, brasagem a vácuo e com gás protetor, sinterização e os processos de moldagem de pós metálicos por injeção (Processo MIM) em fornos contínuos e de batelada.

Metais refratários projetados especificamente para tratamento térmico são materiais como as superligas (por exemplo, titânio, Rene-80 superliga à base de níquel, Hastelloy e tungstênio). Elementos de aquecimento feitos de metais refratários devem respeitar os padrões Classe 1 AMS 2750E com faixa de uniformidade de temperatura entre +/- 2.8°C comparado com componentes de aquecimento de grafite. Os elementos de grafite não são recomendados para uso acima de 1315-1482°C. A máxima taxa de rampa para temperaturas abaixo de 1315°C para componentes de grafite é 7,2°C/minuto. Fornos com aquecedores de grafite são definidos pelos padrões Classe 2 da AMS 2750E.

Ligas de Molibdênio – Lantânio (MoLa)

Ligas MoLa com 0,3%, 0.6% ou 1,1% de La2O3 (porcentagem em massa) são as ligas com um tipo de tensão de dispersão de óxido (ODS) contendo molibdênio com um arranjo muito fino de partículas de trióxido de lantânio. Essa combinação cria características extraordinárias do MoLa, as quais demonstram resistência para recristalização e elevada temperatura de empenamento.

Ligas MoLa possuem uma microestrutura estável acima de 2000°C. Para componentes de fornos como elementos de aquecimento, estas ligas são as melhores escolhas para faixa de ajuste de 1350-1600°C. A temperatura das resistências possui um ponto de ajuste muito mais elevado. A temperatura aproximada do elemento de aquecimento pode ser calculada utilizando a fórmula abaixo.

Onde Te é a temperatura do elemento de aquecimento em °C, Tf é a temperatura de ajuste do forno em °C, Rfs é a radiação da superfície em W/in2 e Em é a emissividade.

A radiação da superfície (W/cm2) para metais refratários cresce linearmente (por exemplo, 3,86-116,7 W/cm2 de 1127-2527°C). Para cálculos de engenharia, valores de radiação (Rfs) comumente assumidos são 3,86 W/cm2 a 1127°C, 8,7 W/cm2 a 2527°C e 30,3 W/cm2 a 1827°C. Emissividade média e parâmetros de resistividade para o molibdênio, ligas de molibdênio e tungstênio (não oxidado) estão resumidas na Tabela 3 e na Fig. 4.

O “melhor valor” da liga MoLa é o que contém 0,6% de lantânio. Isso exibe a melhor combinação geral de propriedades. Ligas MoLa com baixo lantânio (0,3%) é um substituto equivalente para Mo puro na faixa de temperatura 1100-1900°C. As vantagens de ligas MoLa com alto lantânio são superior resistência a fluência, são apenas realizadas se o material está previamente recristalizado para uso a elevadas temperaturas. De 1100°C a tensão de fluência em 1000 horas decresce de aproximadamente 26 Ksi (1,8 x 105 Pa) para aproximadamente 1,45 Ksi (103 Pa) a 1800°C.

Liga Titânio-Zircônio-Molibdênio (TZM)

TZM é uma liga estabilizada de molibdênio (0,50% de Ti, 0,08% de Zr e Mo balanceado), na qual é consolidada tanto pela metalurgia do pó ou processos de fundição a arco a vácuo. Proporciona excelente desempenho em aplicações que exigem resistência a alta tensão e resistência a fluência em elevadas temperaturas.

TZM também permite temperaturas de trabalho ainda maiores sem esferoidização ou weakening. Para aplicações em fornos como elementos de aquecimento TZM é o mais adequado para faixa de ajuste do forno de 1150°C a 1350°C se o processo puder aceitar componentes de Ti e Zr. De 1350°C, a tensão de fluência em 1000 horas decresce de aproximadamente 3 Ksi (2x 104 Pa) a 0,5 Ksi (3,4x 103 Pa) a 1450°C. Para 1150°C, a tensão de fluência em 1000 horas é aproximadamente 4,4 Ksi (3x 104 Pa).

Conclusão

Os dados disponíveis pelo comportamento mecânico do molibdênio e tungstênio são críticos para a correta seleção de material e tipo dos elementos de aquecimento. Muitas conclusões importantes foram alcançadas como resultado deste estudo breve. O mais importante é que há suficientes  dados de engenharia disponíveis para o projeto de sistemas complexos de aquecimento utilizando metais refratários.

Engenheiros podem descobrir que cada material revisado possui determinadas propriedades que podem torná-lo desejável para aplicações específicas. Molibdênio e tungstênio possuem baixos coeficientes de expansão térmica, excelente condutividade térmica (Fig. 5), compatibilidade química com uma variedade de meios e um alto módulo de elasticidade. Isso significa que metais refratários podem ser usados em um amplo espectro de aplicações de fornos metalúrgicos e são ideais para elementos de aquecimento para processos precisos.

Componentes de aquecimento podem ser construídos de metais não refratários em uma variedade de estilos. A geometria dos elementos de aquecimento é muito frequente devido a soluções patenteadas do passado- particularmente, maneiras de conectar componentes de aquecimento neles mesmos e não de limitações tecnológicas.

Engenheiros devem ser sempre cuidadosos ao projetar sistemas de componentes de aquecimento com materiais não refratários. Metais refratários não possuem as mesmas limitações, o que é uma das mais importantes vantagens. Para criar uma plataforma de discussão quase comparativa, é necessário comparar características dos parâmetros principais dos metais refratários versus metais não refratários usados para elementos de aquecimento em fornos de tratamento térmico.

Para mais informações: Greg Matula, Msc. Dipl-Ing, Engenheiro de aplicação, H.C. Starck Fabricated Products Division, 21801, Rodovia Tungstênio, Euclid, Ohio – EUA; Tel: +1 +49 151/14794604; fax: +1 216 692 0031; e-mail: grzegorz.matula@hcstarck.com; web: www.hcstarck.com.

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A imaginação é mais importante que o conhecimento. O conhecimento é limitado. A imaginação circunda o mundo.

Quando Albert Einstein fez esta declaração, com certeza deve ter se baseado em suas longas observações, reflexões e “viagens” antes de elaborar a sua famosa teoria da relatividade, pois também são dele as seguintes palavras: “penso noventa e nove vezes e nada descubro, deixo de pensar, mergulho no silêncio e a verdade me é revelada”.

Muitas pessoas, e eu também me incluo nesse time, afirmam que as grandes ideias quase sempre surgiram nos primeiros minutos, após despertarem de um longo sono noturno reparador, o que vem de encontro a essa afirmação de Einstein.

Muito embora o conhecimento secular faça hoje a grande diferença em nossas vidas, não resta a menor dúvida que muito antes de haver qualquer conhecimento, a imaginação já ocupava espaço na mente dos seres humanos primitivos e hoje não é muito diferente, apesar do imenso cabedal de conhecimento acumulado ao longo dos milênios da existência humana!

Mas por que tamanha importância à imaginação?

Como consultor especialista em processos de usinagem por abrasão, incluindo neste universo a retificação, o brunimento, a lapidação, o espelhamento, o lixamento, a afiação, o tamboreamento, entre outros, me vi muitas vezes diante de impasses que exigiram o uso de muita  imaginação para poder solucioná-los, pois os fenômenos ali envolvidos e que geravam aqueles desvios de ordem dimensional, geométrica ou térmica, simplesmente ocorriam em uma escala reduzidíssima,  de ordem micro ou até mesmo nanométrica!

Em retificação de alta precisão, onde a capabilidade exigida muitas vezes supera em muito a rigidez e a precisão da máquina e de seus periféricos, o que fazer para plotar na carta estatística valores reais dentro das estreitas tolerâncias exigidas para determinadas peças?

Como fiz parte de um grupo de pesquisadores apoiado por renomados doutores de uma grande empresa alemã, cujos processos de usinagem por abrasão excediam em termos de precisão aos mais altos padrões de qualidade já conhecidos, pude, junto da equipe, realmente me aprofundar bastante nessa tecnologia.

Depois de quase duas décadas pesquisando e desenvolvendo esses processos junto com nossos parceiros alemães, passei, a partir de 1982, a escrever  artigos técnicos para revistas especializadas  e a ministrar cursos nessa área.

Uma visão do universo nanométrico

Por uma necessidade didática extrema para convencer meus treinando da importância de certas ações na obtenção de resultados positivos nos processos de alta precisão, me vi na obrigação de levá-los a uma “viagem” nada comum.

Como e porque tentar dimensionar uma fagulha, gerada por um único grão abrasivo?

Nessa visão seria possível imaginar e avaliar o comportamento de cada grão abrasivo, sendo submetido aos esforços mecânicos e temperaturas que são geradas durante a remoção do material.

Assim como nos processos de usinagem convencional de cavacos longos, onde se calculam as velocidades de corte, os avanços em profundidade, a remoção e a formação dos cavacos, potência necessária etc., a partir de uma única aresta de corte, seja para um inserto, fresa, brocha etc., da mesma forma, em retificação, a  remoção de micro cavacos ou fagulhas se dá a partir de um único grão abrasivo, com todos os fenômenos inerentes possíveis de até serem imaginados e avaliados no gráfico tensão (s) / deformação (e), onde a curva de escoamento e ruptura sem dúvida irá ocorrer,  porém  com ênfase às altíssimas temperaturas geradas, acima  de 1000 °C!

Pode parecer ficção, mas o fato de se “trabalhar” com uma diminuta fagulha não invalida absolutamente a possibilidade de partirmos dessa unidade para um estudo mais aprofundado, sabendo, é claro, que será o somatório de milhares desses grãos abrasivos trabalhando que farão a grande diferença no equilíbrio das forças e das temperaturas geradas, na busca da excelência na qualidade das peças retificadas, na produtividade e na capabilidade de máquina e processo.

Para se especificar um rebolo técnico é necessário analisar “n” variáveis e supor “n” consequências para se atingir uma certa rugosidade na peça retificada, uma certa precisão dimensional e geométrica, assim como a não ocorrência dos graves problemas térmicos, como queimas, mudanças estruturais, tensões superficiais trativas e micro trincas na superfície das peças retificadas.

Percebam, então, que não é nada fácil especificar ou fabricar um rebolo ideal e, da mesma forma, estabelecer os parâmetros dinâmicos ideais para sua utilização em peças de alto comprometimento!

Com certeza, um tratamento térmico imperfeito, juntamente com parâmetros de retificação inadequados, também aumenta grandemente as chances de consequências desastrosas para essas peças.

Para que se possa escolher esses parâmetros, será necessário conhecer todas as exigências de precisão da peça a ser retificada e, mais importante: como conseguir o “step by step” para essa qualidade, com produtividade e capabilidade.

Um ponto de partida será necessário:

RV 40:1 a 50:1
– Semidesbaste com corte livre e maior desgaste do rebolo;
– Maior tamanho de fagulha gerada por grão abrasivo;
– Maior ocorrência de fraturas no grão abrasivo;
– Importante correção de circularidade na peça;
– Rugosidade alta;
– Baixíssima incidência de queima na peça. (*)

RV 60:1 a 70:1
– Desbaste com corte livre e menor desgaste do rebolo;
– Médio tamanho de fagulha gerada por grão abrasivo;
– Menor ocorrência de fraturas no grão abrasivo;
– Boa correção de circularidade na peça;
– Rugosidade média;
– Baixa incidência de queima na peça. (*)

RV 80:1 a 90:1
– Semiacabamento com baixo desgaste do rebolo;
– Pequeno tamanho de fagulha gerada por grão abrasivo;
– Baixa ocorrência de fraturas no grão abrasivo;
– Micro correção de circularidade na peça;
– Rugosidade baixa;
– Baixa incidência de queima na peça. (*)

RV 100:1 a 120:1
– Acabamento com baixíssimo desgaste do rebolo;
– Reduzidíssimo tamanho de fagulha gerada por grão abrasivo;
– Baixíssima ocorrência de fraturas no grão abrasivo;
– Baixa correção de circularidade na peça;
– Rugosidade baixa;
– Baixa incidência de queima na peça. (*)

(*) Esse importante item tem como elemento de alta influência o fluído de corte, que terá um capítulo à parte em nossos próximos capítulos.

Após a escolha da Relação (RV) a ser utilizada, basta realizar os cálculos para se chegar à rotação a ser adotada para a peça:

VP = VR . 60 / RV = m/min

RP = VR . 1000 / DP .ππ= rpm

RP = DRA . RRA / DP = rpm (no caso de uma retífica centerless)

Sendo:

VP = Velocidade da Peça (m/min)

VR = Velocidade do Rebolo (m/s)

RV = Relação das Velocidades (VR/VP)

RP = Rotação da Peça (rpm)

π = 3,1416

DP = Diâmetro da Peça (mm)

DRA = Diâmetro do Rebolo de Arraste (mm)

RRA = Rotação do Rebolo de Arraste (rpm)

Conclusões

O conhecimento é absolutamente indispensável, mas a imaginação é fundamental.

Esse artigo é apenas o início de uma série muito rica em informações técnicas de aplicação imediata para os processos de retificação de precisão e alta precisão, assim como para os demais processos de usinagem por abrasão.

O próximo tema abordado será: “Critérios na elaboração de um processo de retificação de alta precisão”

Consultem-nos na coluna “Pergunte ao Especialista”, pois teremos muito prazer em esclarecer suas dúvidas!

Até lá.

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A experiência me ajudou a apreciar o valor dos conceitos que eram “despejados” sobre mim por meus professores na faculdade. Também resultou na criação do meu “diploma de materiais de acidente”, o qual eu compartilho com meus leitores da revista Industrial Heating.

1 – A essência da ciência dos materiais e da engenharia é a de que cada material deve ser transformado em peça por um processo, o que cria uma estrutura de vários níveis. Isso resulta em uma constelação de propriedades, características ou comportamentos em um dado ambiente. Tradicionalmente, nós mostramos o triângulo com “processo”, à esquerda da base, “estrutura” à direita da base e “propriedades” no topo (Fig.1).

2 – Se as características ou comportamentos diferem em dois materiais que são nominalmente “o mesmo”, então não são o mesmo material. Ou a composição é diferente ou o processo foi diferente, o que de qualquer maneira resultaria em uma diferente estrutura e, então, diferentes propriedades. Isso é uma consequência direta do #1. Às vezes, diferenças são triviais, porém outras vezes diferenças na composição ou no processamento podem parecer triviais mas resultam em propriedades muito diferentes. Ocasionalmente, uma diferença de 3 – 6°C na temperatura durante tratamento térmico pode causar um problema.

3 – Existem duas forças principais que criam a estrutura em um dado material. A primeira é a tendência termodinâmica. Isso significa que dado um grupo de átomos em um ambiente específico, os átomos irão querer se agrupar em posições de uma forma específica. Se existir mais de um tipo de átomo presente, haverá um caminho preferencial no qual os átomos evitarão ou seguirão em relação aos átomos de outras “espécies”. A segunda força que influencia a estrutura e o arranjo dos átomos dentro de um material é a cinética. Isso tem relação em quão rápido os átomos podem se mover em determinado ambiente.

Metalurgia de Ferrosos

Um exemplo clássico da metalurgia de ferrosos é que o carbono no ferro terá forma preferencial de grafite. Pense sobre isso. O carbono é totalmente diferente em cada aspecto (exemplo: diamantes e carvão) do ferro (aço é basicamente ferro). Mas o aço normalmente tem o carbono presente na forma de carbetos ou como átomos individuais de carbono presentes entre os átomos de ferro dissolvidos na matriz.

Por que isso acontece? Acontece por considerações cinéticas. Quando materiais ferrosos são processados, nós não permitimos tempo suficiente para que os átomos de carbono se encontrem e empurrem os átomos de ferro do caminho. Existem muitos mais átomos de ferro até mesmo no aço de maior teor de carbono. É “mais fácil” para o carbono formar carbetos com os átomos de ferro vizinhos.

Então temos um “desejo” termodinâmico contra uma “resistência” cinética e temos o que existe em uma dada composição de liga sujeita a um dado histórico de processo.

Ação mecânica pode influenciar fortemente a cinética. O ferreiro faz mais do que dar forma. O ferreiro muda os arranjos dos átomos dentro da liga.

Tradicionalmente, temos um “diagrama de equilíbrio” que nos mostra como os átomos preferem se agrupar em certa temperatura. Diagramas de tempo e temperatura nos auxiliam a desvendar os efeitos da cinética.

Após integrar o conceito do triângulo processo-estrutura-propriedade dos materiais que discutimos, o próximo conceito mais importante em ciência dos materiais para análise de falhas de componentes metálicos e poliméricos é relacionado à estrutura e seus múltiplos níveis de sobreposição.

Estrutura

Vamos ao cerne da estrutura. Nós adquirimos conceitos que nos permitem entender os múltiplos níveis de estrutura inerentes em cada composição (Fig.1). Se estivermos falando sobre um material sólido como um cientista de materiais, o nível mais fino da estrutura que nos preocupa no dia-a-dia é a estrutura atômica. Precisamos ter uma base do que o átomo é.

O antigo viajante grego e filósofo (eles não dispunham de cientistas na época) Demócrito (460-370 AC) foi o primeiro a formular a ideia de que o átomo é o menor pedaço de matéria que pode existir. Verifique a nota existente na Wikipédia para mais detalhes.

Agora nós compreendemos que átomos não são esféricos, que a nuvem de elétrons que está ao redor do núcleo também não é esférica, e que a geometria 3D da nuvem eletrônica (Fig.2) envolvendo o núcleo do átomo é extremamente importante para determinar que tipos de átomo serão atraídos.

Para propósitos mais práticos, metalurgistas trabalhando no nível de minhas atividades diárias não necessitam se preocupar com nada mais complicado do que isso. Os detalhes do formato e da carga elétrica das nuvens eletrônicas possuem uma forte influência na força motriz termodinâmica que discutimos anteriormente.

O que é necessário compreender é que elétrons externos em átomos de metais, quando presentes apenas com outros átomos metálicos, são mantidos bem próximos aos núcleos. Isso cria a possibilidade de condução elétrica e também ductilidade – duas das principais características dos metais.

Microestrutura

Agora que temos uma leve noção para entender a estrutura do átomo em ligações atômicas, é hora de passar para o conceito de microestrutura.

Microestrutura está associada relativamente com grandes grupos de átomos grandes o suficiente para ver em microscópio óptico, quando as amostras estiverem bem preparadas.

Como a microestrutura se desenvolve em um dado componente? Pense nos dois conceitos de nossa discussão anterior, a força motriz termodinâmica e a realidade cinética.

A força motriz termodinâmica é o que possibilita que um átomo queira procurar seus semelhantes ou, alternativamente, os evite em preferência de outros átomos. A tendência termodinâmica possui outro efeito importante. Em qualquer sistema em que houver áreas de mais de uma composição, haverá interfaces entre duas composições. Também haverá interfaces entre áreas de composição similar. Chamamos essas interfaces de contornos de grão.

Contornos em materiais sólidos necessitam de energia para se criar e se manter. Na maioria dos aços, por exemplo, temos uma matriz rica em ferro, que pode ser uma combinação de uma composição e partículas de carbetos, óxidos, sulfetos, etc. Cada um desses “etos” é de uma diferente composição. Existe uma interface entre a matriz que contém essas partículas e as próprias partículas. Diferentes tipos de interfaces necessitam de diferentes quantidades de energia para se manter.

Cinética

Se existir energia suficiente (temperatura) disponível no meio, será usada para diminuir a área superficial das interfaces. Como isso é feito? Uma maneira é pela difusão de átomos de pequenas partículas em direção às partículas maiores. Outra maneira é por alterar o formato de disco ou de agulha de algumas partículas para arredondados. A esfera é a geometria de menor superfície de contato existente.

Calor, ou energia térmica, permite movimentação mais rápida para o estado de menor energia que a termodinâmica deseja. A Fig. 3 mostra um pedaço de aço recozido. As pequenas partículas salientes visíveis na matriz plana são carbetos. A maioria dos menores carbetos se tornaram arredondados devido à exposição de uma adequada temperatura de esferoidização para recozimento.

Algumas das partículas grandes, evidenciadas pelas setas brancas, continuam com o formato que se desvia fortemente de esférico ou esferoidal. Note que a seta branca superior mostra uma partícula menor do que a seta inferior. Devemos sempre lembrar que visualizamos uma seção transversal. Podemos estar visualizando um corte de uma seção estreita de uma partícula maior.

Mais tempo na temperatura de esferoidização para recozimento pode permitir que grandes partículas também se tornem esferoidais.

Perceba também que aumentar o tamanho do contorno de grão é uma maneira para os metais reduzirem sua energia, ainda que necessitem de infusões temporárias de energia para completar a mudança. Os grãos menores são absorvidos pelos maiores, resultando em uma área menor de contorno de grão por unidade de volume.

Exemplos

Até agora nós discutimos sobre diferentes níveis de estrutura. Nós começamos com estrutura atômica e então sobre microestrutura. Refletimos sobre como o processo influencia a microestrutura e também sobre o importante conceito de energia de interface.

Microestrutura é intencionalmente alcançada em muitos materiais diferentes pela escolha de parâmetros de processo. Isso inclui laminação a quente, forjamento e extrusão, laminação a frio, conformação a frio e tratamento térmico. Todos estes caem na categoria de processamento “termomecânico”. Conformação a frio que rompe a estrutura cristalina também é usado para modificar características.

A Fig. 4 ilustra uma amostra metalográfica de um pedaço de aço baixo carbono, que foi cauterizada para revelar contornos de grão. É uma peça estampada. Podemos ver claramente que os grãos na área A são menos alongados que os da área B. Isso é devido à deformação que aconteceu – em grande extensão na área B – como resultado de um processo de conformação.

Podemos esperar que a área B seja mais dura do que a área A. deformação em temperatura ambiente normalmente torna o material mais duro e frequentemente mais forte porque acumula energia no volume do material.

Como podemos ver aqui nesta pequena área, a microestrutura varia bastante. Se assumirmos que isso seja um suporte e a área mais escura no topo é o componente plástico da montagem, e que a tensão de trabalho tende a abrir o ângulo, podemos esperar que se as tensões forem muito altas uma trinca pode começar a se formar no meio (vertical) das três setas e crescer até o centro do aço. Porque há um gradiente de deformação, a trinca pode se dirigir para a esquerda (Fig.4) porque aquele material é mais mole e provavelmente mais fraco. Trincas começam e se propagam quando e onde a tensão excede a resistência. Vemos nesta imagem que a microestrutura e a resistência podem variar um pouco.

Precisamos entender a microestrutura na área onde a trinca começa para compreendermos a fratura. Por isso precisamos ser confiantes de que encontramos a área de iniciação. A Fig. 5 ilustra uma amostra de alumínio que foi superaquecida. O material ficou tão quente que praticamente fundiu em algumas áreas. Onde o alumínio funde quando isso acontece? Isso ocorre normalmente em “pontos triplos”, onde três contornos de grão se encontram. Menor calor é necessário por causa da energia extra proveniente da energia de interface. Os círculos escuros sofreram “fusão incipiente”, com A e B mostrando evidências de “dendritas”, uma característica que acontece durante a solidificação. Alguém teve problemas para trabalhar o lingote fundido original, e agora ele possui áreas de menor resistência “microfundidas” espalhadas pelo todo.

A Fig. 6 mostra um parafuso recalcado a frio que foi soldado sob pressão em uma barra plana de mesmo diâmetro. O parafuso trincou quando foi derrubado no chão. Por que trincou na área que era provavelmente por volta de três vezes mais larga do que as partes adjacentes? Claramente há algo relacionado com a deformação a frio, o calor de soldagem e a composição que tornou a microestrutura muito mais frágil do que a área da rosca.

Conclusão

Compreender os conceitos básicos de ciências dos materiais e engenharia inclui os fatos fundamentais sobre a relação entre estrutura e comportamento e como a estrutura é desenvolvida pela seleção de detalhes específicos de processo. A otimização da performance do material exige um conhecimento de microestrutura e como são desenvolvidos. A microestrutura específica que se desenvolve em uma da localização e em uma dada peça é dependente de muitos fatores.

Para mais informações: Debbie Aliya, Aliya Analytical, Inc., PO Box 2407, Grand Rapids, Michigan – EUA; tel: +1 616-475-0059; e-mail: DaAliya@itothen.com; website: www.itothen.com.

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Cada material refratário possui vantagens e desvantagens tecnológicas e econômicas relativas a uma aplicação específica. Para a seleção correta é mais importante para o operador de fábrica que o seu fornecedor de estufa/forno e o fornecedor de material refratário trabalhem em parceria para alcançar uma ótima solução tanto econômica quanto tecnologicamente. A solução apresentada é baseada na utilização de produtos à base de uma lã isolante para elevadas temperaturas (HTIW – High-Temperature Insulating Wools), na qual ostenta vantagens significativas em relação aos produtos refratários tradicionais quando se compara o custo de investimento, despesas de operação, confiabilidade, eficiência global e a mais alta disponibilidade do equipamento seguido de novo revestimento e manutenção, ou trabalho de reparo.

O que é a lã isolante de elevada temperatura. Pode ser encontrada na forma de fibra de aluminossilicato (ASW) e fibra de mulita policristalina (PCW), oferecendo excelentes propriedades químicas, físicas e termomecânicas e pertencem a estes grupos de lãs isolantes de alta temperatura de HTIW, em conjunto com a fibra de silicato alcalino-terroso (AES). Para nossos colegas norte-americanos, fibra de cerâmica refratária (RCF) e fibra policristalina é chamada de HTIWool (Lã isolante de elevada temperatura) na maior parte do mundo.

Como resultado no aumento de requisitos em fornos para aplicações acima de 900°C, a demanda de HTIW aumentou consideravelmente na última década. Muito desta demanda está onde o isolamento está exposto a elevadas tensões termomecânicas (temperatura de choque), mecânicas e químicas. Considerando esta busca geral, produtos especiais ultraleves feitos de HTIW com suas surpreendentes propriedades térmicas, termomecânicas e químicas são particularmente adequadas para aplicações na moderna indústria de fornos.

As vantagens destes materiais são:

– Consumo otimizado de energia específica (com até 50% de economia de energia quando comparados aos revestimentos densos/pesados tradicionais);
– Aumento na eficiência global de fornos de elevada temperatura;
– Redução de emissão de gases de efeito estufa;
– Excelente estabilidade química;
– Excepcionais propriedades termomecânicas (por exemplo, uma resistência ao choque térmico quase ilimitada).

Este artigo apresenta uma visão geral e exemplos do uso de produtos de HTIW na engenharia de processos térmicos na indústria do aço. Exemplos incluem:

– Revestimento em módulo (sistemas combinados) em fornos de forja;
– Bloco de queimadores ultraleves;
– Isolamento ultraleve para rolos resfriados a água em fornos soleira de rolos (exemplos: fornos contínuos para fundição, compacto fundido de parede fina-produção de tiras- CSP/ fundição de parede fina/placa fina).

Materiais Refratários e Produtos de HTIW

Materiais refratários podem ser classificados em quatro grupos principais de acordo com a Fig.1:

– Produtos refratários densos e perfilados;
– Materiais refratários sem molde (monolíticos);
– Produtos refratários funcionais;
– Materiais isolantes térmicos.

O grupo principal de materiais isolantes térmicos incluem produtos de HTIW, isolamento térmico e tijolos de isolamento refratário e outros materiais isolantes (exemplo: silicato de cálcio, materiais microporosos, etc.).

Uma visão geral dos produtos de HTIW também é mostrada na Fig.1. A variedade dos produtos formados destes materiais ultraleves se estende desde a lã através de esteiras/camadas e módulos até produtos fabricados a vácuo na forma de placas, produtos funcionais e componentes perfilados.

A HTIW é usada como matéria-prima para os já mencionados refratários ultraleves, fazem parte de um grupo de lãs inorgânicas, minerais artificiais. Uma relação geral dos HTIWs é mostrada na Fig.2.

Os produtos feitos de lã de aluminossilicato (Alsitra) e lã policristalina (Altra) são definitivamente os produtos mais importantes do grupo de HTIW para instalações de processamento térmico e construção de fornos industriais. Devido particularmente às suas excelentes propriedades técnicas, esses produtos são agora indispensáveis para uma grande variedade de aplicações industriais nas temperaturas da faixa de 600-1800°C.

Produtos feitos de fibra de silicatos de alcalinos-terrosos, (AES) outra forma de lã de isolamento para elevadas temperaturas, exibem menor resistência química e estão mais inclinados para a recristalização, assim limitando seu potencial de aplicação na engenharia de processamento térmico. A principal aplicação é na indústria de eletrodomésticos e para processos industriais com temperatura abaixo de 900°C.

Lãs de aluminossilicatos (Alsitra) e de silicatos de alcalinos-terrosos (AES) são fabricadas em um processo de fusão e em seguida passam por processos de insuflação ou turbilhonamento. Processos de cristalização, retração e sinterização limitam a temperatura de uso desses produtos para abaixo de 1300°C.

Em contraste, HTIW de alumina policristalina (PCW) são fabricados com tecnologia sol-gel e tratadas térmicamente em temperaturas de até 1400°C durante o processamento. Os materiais produzidos desta maneira possuem classificação e temperatura de uso de até 1650°C. Formatos de aplicação específica ou de distribuição otimizada (componentes ALTRAFORM produzidos a vácuo) asseguram a adequação desses produtos para temperaturas de trabalho de até 1800°C.

A Tabela 1 lista as propriedades físico-químicas mais importantes para avaliar as HTIWs. A temperatura de classificação é definida como a temperatura na qual uma mudança linear permanente (retração) de 4% não é excedida após 24 horas de tratamento térmico em um forno de laboratório aquecido eletricamente em atmosfera neutra.

A atual máxima temperatura de aplicação de uma HTIW amorfa (aluminossilicato (ASW) ou silicato de alcalino-terroso AES) é geralmente ao menos 150-200°C (margem de segurança) abaixo da temperatura de classificação. Isso é porque, em contraste com a determinação da temperatura ideal de classificação, condições de queima em atmosfera neutra com uma exposição relativamente curta (24 horas), os produtos em trabalho não estão somente expostos a elevadas temperaturas, mas também a adicionais tensões físico-químicas que frequentemente desviam das condições ideais e por isso há a temperatura limite de aplicação.

Em contraste, produtos feitos de lã policristalina (PCW) podem ser utilizados sem o limite de segurança da atual classificação de temperatura, mesmo em aplicações industriais.

Apesar das composições químicas típicas e das temperaturas resultantes da classificação, a temperatura real sob condições de processo, resistência química a ácidos e bases e a densidade aparente são importantes para a utilização de materiais na indústria de fornos. Essas condições diferem consideravelmente no campo das aplicações de engenharia de processo térmico na qual a HTIW é usada.

Os materiais mais adequados, e especialmente as lãs isolantes para elevadas temperaturas mais apropriadas para respectiva aplicação podem ser selecionadas baseando-se nas especificações de normas europeias TRGS 619 (Technical Rules for Hazardous Substances, Normas Técnicas para substâncias perigosas). Esse guia técnico é um auxílio valioso para tudo relacionado com instalações de processos térmicos – operadores de fábrica, fornecedores de fornos e refratários – na seleção do refratário apropriado.

Ao mesmo tempo, a TRGS 619 fornece uma excelente possibilidade para documentação do conceito do revestimento do forno para agências regulatórias e/ou para saúde e segurança do trabalho e proteção do meio ambiente.

Os usuários e fornecedores competentes de fornos irão, em consideração desta diretiva, optar por utilizar HTIW como revestimento refratário para plantas de processos térmicos proporcionando que este material prove sua adequação técnica em uma análise objetiva.

A Fig. 3 mostra de uma maneira simplificada as possíveis variações de temperatura de produtos de HTIW, com a indicação da frequência de aplicação no respectivo trecho de temperatura.

Conclusão

Em consideração aos enormes desenvolvimentos técnicos na construção de fornos industriais e as economias de energia que tornaram possível graças à aplicação de produtos de lã isolante em elevada temperatura em diferentes setores industriais, isolamento térmico para empresas progressistas com processos em estado da arte e temperaturas excedendo 900°C poderiam ser impensáveis sem esses materiais.

Na parte 2 continuaremos nossa discussão dos benefícios de HTIW e cobriremos algumas aplicações específicas como bloco de queimadores e fornos contínuos de soleira de rolos.

Para mais informações: Rick Sabol, Gerente de Desenvolvimento de Negócio, RATH Inc., 300 Ruthar Drive, Newark, Delaware – EUA, tel: +1 302-294-4458; e-mail: rick.sabol@rath-group.com; website: www.rath-usa.com.

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O aquecimento por indução oferece inúmeros benefícios para processos de produção por ser rápido, eficiente em energia, e por ser um método de aquecimento que não possui chama por aquecer materiais condutores elétricos. Um sistema comum envolve uma fonte de alimentação para a indução, combinada com uma bobina de cobre e um resfriador ou um sistema de resfriamento. A corrente flui através da bobina para criar um campo eletromagnético alternado. Quando uma peça condutora é colocada dentro da bobina, a corrente é induzida a passar por ela. A passagem da corrente combinada com as propriedades de resistência da peça condutora resulta em geração de calor.

É crucial selecionar o sistema correto para a sua aplicação e seus requisitos. Um sistema sobre alimentado pode significar maior despesa do que o necessário, enquanto um sistema insuficiente pode prolongar o aquecimento e desacelerar a produção. Aqui estão listados 10 fatores a serem considerados ao selecionar um sistema de aquecimento por indução.

 1 – O Seu Material

Indução aquece diretamente materiais condutores como metais. Materiais não condutores podem ser aquecidos utilizando um susceptor de indução. Devido à histerese, materiais magnéticos são aquecidos mais facilmente do que não magnéticos; consequentemente, materiais não magnéticos exigem maior energia. Metais com alta resistividade, como aço, aquecem rapidamente, enquanto metais com baixa resistividade, como cobre, ou alumínio demoram mais tempo para aquecer.

2 – Profundidade de Aquecimento

A corrente induzida será mais intensa na superfície da peça. Na verdade, mais de 80% do calor produzido na peça é originado da “casca” ou superfície. Então peças maiores e peças que exigem aquecimento por completo aquecem mais lentamente do que peças mais delgadas ou pequenas.

3 – Frequência de Operação

Sistemas de grande potência e baixa frequência são geralmente adequados para aquecer peças grandes que exigem aquecimento completo. Sistemas de baixa potência e alta frequência são aplicados em aquecimento superficial. Como regra geral, quanto maior a frequência, menor a profundidade de aquecimento da peça.

4 – Potência Aplicada

A potência de saída da fonte de alimentação do seu sistema de aquecimento por indução determina a velocidade relativa na qual a peça é aquecida. A massa da peça, o aumento da temperatura e perdas de calor por convecção e condução devem ser considerados. Geralmente, o fabricante pode ajudar com esta avaliação.

 5 – Aumento da Temperatura Necessária

Indução pode gerar uma significativa mudança na temperatura, mas ao se falar genericamente, maior potência é necessária para promover uma mudança significativa na temperatura e isso pode impactar na sua escolha da fonte de alimentação. A taxa de mudança de temperatura também afeta sua escolha de fonte de energia. Quanto mais rápido a taxa de mudança, maior a potência significativa requerida.

6 – Projeto da Bobina

Sua bobina, que geralmente é refrigerada a água e feita de cobre, precisa seguir a forma da sua parte e levar em consideração as variáveis do seu processo. Um projeto ótimo da bobina fornecerá o padrão de calor certo para sua peça mais devagar e fornecer um padrão de aquecimento impróprio. As bombinas flexíveis estão atualmente disponíveis e funcionam bem com peças grandes e geometrias de peças únicas.

7 – Eficiência de Acoplamento

A peça a ser adequadamente acoplada junto à bobina eleva o fluxo de corrente, o que aumenta a quantidade de calor gerado. O acoplamento permite aquecimento mais rápido e eficiente, o que pode aumentar a eficiência na produção. O acoplamento inadequado causa o efeito contrário.

8 – A Instalação e a Área Ocupada

Indução exige resfriamento por um refrigerador ou de um sistema de resfriamento. Sistemas de baixa potência comumente necessitam de um compacto resfriador água/ar, enquanto um sistema de alta potência necessitará de um maior resfriador água/água. Além disso, deverá ter espaço para a fonte de alimentação e a bobina. De um modo geral, sistemas de indução podem economizar considerável espaço quando comparado a um forno, principalmente ao se considerar que a cabeça de trabalho pode ser colocada a uma distância significativa da fonte de alimentação. É preciso ter certeza de que a instalação pode lidar com a quantidade de energia que o sistema requer.

9 – Requisitos Adicionais de Aquecimento

É necessário medir e guardar dados de aquecimento? Alguns fornecedores de solução em indução podem oferecer um sistema completo que inclui um pirômetro óptico e um software de monitoramento de temperatura para que os dados possam ser gravados e salvos. Uma solução abrangente pode levar a uma instalação e inicialização suave.

10 – Expertise Industrial

Muitos fabricantes de indução possuem expertise em certas aplicações, portanto é necessário averiguar se a sua aplicação está no portfólio do fabricante. Além disso, alguns fornecedores oferecem testes em laboratório e uma recomendação de sistema sob medida baseados nos requisitos do sistema de aquecimento. Esse tipo de serviço ajuda a explicar os fatores mencionados anteriormente.

Concluindo, aquecimento por indução possui vantagens consideráveis sobre outros sistemas comuns de aquecimento. Comprar o sistema certo para determinados requisitos da aplicação e assegurar de que cobrirá todas as necessidades eventuais futuras trará um enorme benefício para a sua empresa.

Para mais informações: Brett Daly, Especialista em Marketing da Ambrell, empresa do grupo Ameritherm Co., Nova Iorque – EUA; tel: +1 585-889-9000; website: www.ambrell.com.

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