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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[1] Llewellyn, D. T., and W. T. Cook, “Heat-treatment Distortion in Case-Carburizing Steels,” Metals Technology, 1977;
[2] Boyle, Erin, Randy Boers and Derek O. Northwood, “The Use of Navy C-Ring Specimens to Investigate the Effects of Initial Microstructure and Heat Treatment on the Residual Stress, Retained Austenite, and Distortion of Carburized Automotive Steels,” SAE International, 2007;
[3] French, H. J., The Quenching of Steels, ASM International, 1930;
[4] Hernandez-Morales, B., O. Barba Mendez, A. Ingalls Cruz and J. A. Barrera Godinez, “Mathematical Modeling of Temperature and Stress Evolution during Cooling of an Stainless Steel Navy C-Ring Probe,” International Journal of Materials and Product Technology 24 (1-4), 2005;
[5] Brooks, Brandon Elliott and Christoph Beckermann, “Prediction of Heat Treatment Distortion of Cast Steel C-Rings,” Proceedings of the 61st Technical and Operating Conference, SFSA, 2007;
[6] Jones, F. W., “The Mechanism of Distortion,” Journal of the Iron and Steel Institute, 1969;
[7] Zhichao, Li,, B. Lynn Ferguson, Xichen Sun, Peter Bauerle, “Experiment and Simulation of Heat Treatment Results of C-Ring Test Specimen,” Proceedings of the 23rd ASM Heat Treating Society Conference, 2005;
[8] Gulf Super-Quench 70 product brochure;
[9] Da Silva, A. D., T. A. Pedrosa, J. L. Gonzalez-Mendez, X. Jiang, P. R. Cetlin and T. Altan, “Distortion in Quenching AISI 4140 C-ring – Predications and Experiments,” Materials and Design, 42, 2012;
[10] Nan, C., D. O. Northwood, R. J. Bowers, X. Sun and P. Bauerle, “The Use of Navy C-ring Specimens to Study Distortion in Nitrocarburized 1010 Steel,” Surface Effects and Contact Mechanics IX, WIT Transactions on Engineering Sciences Vol. 62, 2009;
[11] Da Silva, Alisson Duarte, “Prediction and Control of Geometric Distortion and Residual Stresses in Hot Rolled and Heat Treated Large Rings,” PhD Thesis, Federal University of Minas Gerais, 2012;
[12] Sckhatme, S. P., and M. B. Kamath, “Distortion-free Heat Treatment of an Aluminium Alloy with Liquid Nitrogen,” Indian Journal of Technology, Volume 6, 1968;
[13] Amey, C. M., H. Huang, P. E. J. Rivera-Diaz-del-Castillo, “Distortion in 100Cr6 and Nanostructured Bainte,” Materials and Design, 35, 2012;
[14] Ponomarev, V. P., A. P. Shtin and N. N. Tolmachevskii, “Effect of Some Design Factors in Errors in the Dimensions and Shaped of Toothed Wheels During Chemicothermal Treatment,” Metallovendenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov, No. 1, 1979;
[15] Duehring, Steven, Jan Spanielka and Bohumil Taraba, “Qualified Results of Rapid Cooled C-Pattern in Agitated Quenchant,” Proceedings of the 22nd International DAAAM Symposium, Vol. 22 No. 1, 2011;
[16] Northwood, Derek O., Lily He, Erin Boyle and Randy Bowers, “Retained Austenite – Residual Stress – Distortion Relationships in Carburized SAE 8620 Steel,” Materials Science Forum, Vols. 539-543, 2007;
[17] Li, Junwan, Yuan Fend, Hongbo Zhang, Na Min and Xiaochun Wu, “Thermomechanical Analysis of Deep Cryogenic Treatment of Navy C-Ring Specimen,” Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 23, ASM International, 2014;
[18] Cary, P. E., E. O. Magnus and A. S. Jameson, “A Polyvinyl Alcohol Solution as a Quenchant for the Hardening of Steel,” SAE International, 1960;
[19] “The Measurement, Prediction and Control of Jominy-hardenability of Carburizing Steels,” Technical Report 7/1986, Ovako Steel AB;
[20] Walton, H. W., “Deflection Methods to Estimate Residual Stress,” Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, G. Totten, M. Howes and T. Inoue (Eds.), ASM International, 2002;
[21] Handbook of Quenchants and Quench Technology, 1st Edition, G. Totten, G.E. Bates, C.E. and Clinton (Eds.), ASM International, 1993;
[22] Metals Handbook, Volume 2: Heat Treating, Cleaning and Finishing, 8th Edition, ASM International, 1964;
[23] Ohwada, N. Sampei, T. and Tezuka, K. “Distortion in Heat-Treatment by Using the Navy C Type Test Piece,” Transactions of Iron and Steel Institute, Vol 24, No 9, B312, 1984 (Japan);
[24] Krauss, George, Steel Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, 1990;
[25] Krauss, George, Steels: Processing, Structure and Performance, ASM International, 2005;
[26] Parrish, Geoffrey, The Influence of Microstructure on the Properties of Case-Carburized Components, ASM International, 1980;
[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.

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

[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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O Que é o Revenimento?

Enquanto a aplicação final de um componente determina o seu tratamento térmico, nós, como tratadores térmicos, estamos constantemente nos esforçando para atingir o balanço delicado entre as propriedades de resistência e dutilidade.

Em nenhum outro lugar esta linha fina é mais evidente do que no processo de revenimento de um dado aço, no qual um controle preciso do tempo, da temperatura e (em alguns casos) da taxa de resfriamento é crítico.

Essencialmente, o revenimento (Fig.1) é a modificação da recém-formada microestrutura endurecida em direção ao seu equilíbrio. Por esta razão (se não houver outras), o revenimento deveria ser realizado sempre.

Quase todos os aços que são submetidos a qualquer tipo de processo de endurecimento são revenidos – submetidos a um tratamento subcrítico que altera sua microestrutura e propriedades (Fig.2). De uma forma geral, o revenimento diminui a resistência mecânica e a dureza ao mesmo tempo em que melhora a dutilidade e a tenacidade da martensita como temperada [3].

As ligas endurecíveis por precipitação, incluindo muitas classes de alumínio e superligas, são revenidas para que precipite partículas intermetálicas, aumentando a resistência do metal. Os aços ferramenta e os aços rápidos são, em geral, submetidos a múltiplos revenimentos para atingir as propriedades de dureza ao mesmo tempo em que transforma a austenita retida primeiro para martensita não-temperada e, nos revenimentos subsequentes, a mesma é transformada em martensita revenida.

Revenimento de Alívio de Tensões (ou de Segurança)

O revenimento em baixas temperaturas, na faixa de 135 a 150°C, antes da condução de uma operação de revenimento padrão, é muitas vezes referido na indústria de tratamento térmico como revenimento de “alívio de tensões” ou de “segurança”. Ele também é conhecido fora do chão de fábrica como “levando a maldição pra fora” do material. É uma etapa adicionada à sequência do processo quando o tempo entre as operações de têmpera e revenimento não será maior que 1 ou 2 horas ou não será maior que 15 a 30 minutos para aços de alta temperabilidade. Um revenimento de alívio de tensões deveria sempre ser realizado em temperaturas mais baixas do que o revenimento final. O revenimento de alívio de tensões também é comumente realizado antes da operação inicial de resfriamento profundo para minimizar as tensões, anular efeitos de geometria e evitar trincas.

Rerrevenimento

O rerrevenimento é uma operação realizada nas indústrias de tratamento térmico, o qual, em geral, é adicionado à sequência de processos por uma das diversas razões a seguir. Uma das razões mais comuns para o rerrevenimento é que o produto na condição temperado e revenido excede a dureza objetivada (ou faixa) e apresenta ao mesmo tempo baixa dutilidade e/ou tenacidade. Esta pode ser uma ocorrência, de alguma forma, comum, especialmente na história inicial de fabricação de um componente, até que um conjunto de dados empíricos possa ser estabelecido baseado em muitos ciclos e aquecimentos do material. Muitos fabricantes diriam “melhor rerrevenir do que retemperar”. Ninguém quer repetir múltiplas operações se um simples rerrevenimento irá resolver o problema. Se os resultados iniciais estiverem fora da faixa desejada ou muito longe dos valores objetivados, os parâmetros para um rerrevenimento podem ser prontamente determinados.

O rerrevenimento é realizado ao longo de uma ampla variedade de temperaturas e tempos relacionada com a operação de revenimento original, dependendo da série de materiais e fatores de processo. Como notado previamente, o revenimento é um processo dependente de tempo e temperatura e um revenimento adicional (ou múltiplos revenimentos) exalta os efeitos da operação de revenimento original.

As equações de Hollomon-Jaffe e/ou Larson-Miller, as quais compreendem tempo, temperatura e parâmetros de revenimento, são amplamente utilizadas e têm sido refinadas ao longo dos anos [6]. Essas equações são extremamente úteis e podem auxiliar o tratador térmico a fazer estimativas dos efeitos do revenimento original e dos efeitos cumulativos de qualquer revenimento subsequente nas propriedades de muitos materiais diferentes (por exemplo, resistência mecânica, dureza, dutilidade, tenacidade e detalhes de microconstituintes). Isso é crucial para assegurar que a operação de rerrevenimento não fornecerá somente os efeitos corretivos desejados na propriedade de interesse, mas, também, não irá criar qualquer efeito prejudicial previsto ou não previsto.

Deve ser tomado cuidado para que o rerrevenimento não alcance a temperatura de revenimento dentro da zona de fragilização da martensita revenida (TME – Temper Martensite Embrittlement). Isso não somente fragilizaria o aço, mas – como a TME é um fenômeno irreversível – os componentes teriam que ser retemperados. Isso tem potencial para criar muitos problemas adicionais e é um processamento no qual é fácil cair em armadilhas. Ao mesmo tempo em que a dureza e a resistência poderiam ser prontamente ajustadas para o nível desejado, a tenacidade poderia ser comprometida de forma significativa.

Uma segunda razão para o rerrevenimento é recuperar a resistência ao escoamento em tração quando um produto é deformado de forma compressiva durante a sua fabricação. A deformação por compressão durante os processos de conformação a frio, trefilação a frio ou estiramento a frio pode causar o Efeito Bauschinger, o qual resulta de efeitos de endurecimento por deformação.

O resultado é que quando um material temperado e revenido é deformado sob compressão, o limite de escoamento em tração diminui. Felizmente, o fenômeno é reversível e, geralmente, pode ser solucionado por meio de uma operação de rerrevenimento. Tal rerrevenimento é, geralmente, conduzido em temperaturas entre 28 e 56°C, ou mais, abaixo da temperatura de revenimento inicial. Isto é feito para preservar a resistência à tração e a dureza ao mesmo tempo em que recupera o limite de escoamento em tração pela eliminação dos efeitos de direcionalidade do endurecimento por deformação.

A prudência deve ser exercitada quando se processa aços temperados e revenidos sujeitos à fragilidade ao revenido (TE – Temper Embrittlement). Um aço suscetível à TE, quando revenido inicialmente a 590°C, trabalhado a frio e, então, revenido para alívio de tensões a 540°C poderia ser impactado de forma prejudicial.

De forma similar, é preciso estar atento quando o rerrevenimento é conduzido na faixa em que o endurecimento secundário pode ocorrer nos aços mais altamente ligados ou em materiais endurecíveis por precipitação, em vários sistemas de ligas.

Uma revisão de engenharia das características de revenido de uma peça de qualquer material deveria sempre ser conduzida e projetada com planos apropriados de tratamento térmico. Isso é especialmente verdadeiro para situações nas quais a quantidade de elementos de liga pode resultar no “quarto estágio do revenimento”[4] e fornecer efeitos significativos nas propriedades resultantes.

A questão que naturalmente é levantada é sobre a aceitabilidade do rerrevenimento em uma dada operação. É necessário entender a extensão na qual o rerrevenimento será considerado uma operação de retrabalho/reprocessamento. É importante estabelecer os protocolos adequados para recomendar as partes específicas de um rerrevenimento quando o mesmo é conduzido.

É necessário estar atento às especificações governamentais para o produto e as operações que se tem à mão, aquelas do fabricante e do consumidor. É uma boa prática ter esses protocolos pré-determinados.

Um exemplo excelente é fornecido pela AIAG (Automotive Industry Action Group – associação global do setor automotivo que se concentra em implementar diretrizes para processos de negócio, educação e formação de profissionais) na especificação atual CQI-9 [7] (conjunto de normas que tem como principal objetivo fornecer diretrizes para a avaliação do sistema de tratamento térmico), a qual afirma o seguinte em relação ao processamento de tratamento térmico e de rerrevenimento. “Questão: O consumidor OEM (Original Equipment Manufacturer – Fabricante Original do Equipamento) é pra ser notificado quando peças são reprocessadas?” Exigências e Orientações (lista parcial, parafraseada):

• O OEM precisa ser notificado quando peças são reprocessadas;

• É preferível uma notificação baseada em caso por caso;

• Alguns reprocessamentos (tal como, mas não limitado a, operações de rerrevenimento) devem ser pré-aprovados.

Para ser pré-aprovado, o tratador térmico:

• Deve submeter um procedimento de reprocessamento para aprovação pelo OEM;

• O procedimento deve descrever características do processo para as quais o reprocessamento é permitido e para aquelas nas quais não é;

• Qualquer atividade de reprocessamento necessita de uma nova folha de controle do processo, a qual denota as modificações necessárias no tratamento térmico;

• Registros devem mostrar quando e como o material foi reprocessado.

O rerrevenimento pode ser, e frequentemente é, um processo aplicado de forma comum em operações de tratamento térmico para produtos finais e intermediários para um grande número de empresas e vários sistemas de ligas.

O tratador térmico deve saber e entender as propriedades metalúrgicas e características do processamento térmico do material da sua peça se o rerrevenimento for aplicado.

Conclusão

Quando se fala de revenimento, parece haver uma resistência à realização de múltiplos revenimentos simplesmente pelo fato de haver um aumento no tempo envolvido para liberar o produto final de volta ao fabricante.

Nos olhos deste escritor, múltiplos revenimentos são sempre vantajosos, a não ser que o tempo de revenimento envolvido seja muito longo.

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

[1] Herring, Daniel H., Atmosphere Heat Treatment, Volume I, BNP Media Group, 2014;

[2] Herring, Daniel H., Atmosphere Heat Treatment, Volume II, BNP Media Group, 2015 (in preparation);

[3] Krause, G., Steels: Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, 1990;

[4] Herring, Daniel H., “What Do We Really Know About Tempering?,” Industrial Heating, July 2007;

[5] Brandt, Daniel A., Metallurgy Fundamentals, 4th Edition, The Goodheart-Wilcox Company, Inc., 1984, pg. 216;

[6] Canale, L. C .F., Yao, X., Gu, J. and Totten, G .E. (2008) “A historical overview of steel tempering parameters,” Int. J. Microstructure and Material Properties, Vol. 3, Nos. 4-5;

[7] CQI-9, 3rd Edition, AIAG (Automotive Industry Action Group), issued January 2012, last update November 2013.

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Hoje, o aço é considerado globalmente como commodity e a sua produção com base em sucatas em forno elétrico a arco é uma prática siderúrgica popular. O uso da sucata tem crescido e continuará a crescer, o que significa a possibilidade de mais elementos residuais no futuro.

Em termos simples, qualquer elemento que esteja presente na composição do aço, mas que não seja uma adição deliberada, é considerado um elemento residual. Eles não podem ser removidos por processos metalúrgicos simples. Os elementos residuais (por exemplo, Cu, Ni, Sn, As, Cr, Mo, Pb, entre outros) são altamente dependentes da classe do aço e podem entrar no aço por meio de quatro fontes principais [1], as quais são:

• Ferro ou ferro gusa;

• Impurezas nas ferroligas adicionadas;

• Refratários;

• Sucata de aço.

Uma distinção importante precisa ser feita entre os elementos residuais que têm efeito devido à sua presença em solução sólida (por exemplo, Mo, Cr, Ni, Cu) e aqueles que têm efeito devido à sua segregação para as interfaces, como superfícies e contornos de grão, (por exemplo, Sn, As, Sb). Além disso, os elementos que têm tamanho atômico menor do que o dos átomos do solvente (por exemplo, C, N, B) talvez também possam segregar para os contornos de grão, competindo com os elementos residuais e, com frequência, protegendo as interfaces de possíveis efeitos prejudiciais devido ao enriquecimento com elementos residuais. [1]

Efeitos no Recozimento e Fabricação [1, 2]

De uma forma geral, os elementos residuais contribuem aumentando a resistência e, consequentemente, diminuindo a ductilidade do aço. Assim, as operações de fundição, conformação, estampagem e recozimento desenvolvidas na usina podem ser afetadas (Tabela 1). Por exemplo, a presença de molibdênio e cromo em aços ultrabaixo carbono aumenta a resistência à deformação a quente, exigindo cargas de laminação mais altas. A presença de estanho e arsênio afetará de forma adversa a cinética de recristalização durante o recozimento contínuo de certas classes de aços laminados a frio e exigirá um aumento na temperatura de recozimento.

O cobre, um dos elementos residuais mais reconhecidos, é responsável por defeitos superficiais relacionados à formação de carepas e trincas (trinca a quente). É um bom indicador da quantidade de sucata utilizada no processo de fabricação do aço, em geral, presente em níveis de 0,20% ou mais. O níquel, se estiver presente na mesma porcentagem, compensa o efeito do Cu, enquanto o Sn e o As amplificam este efeito. A presença de estanho, mesmo em quantidades bem baixas (0,05% adicionado ao aço contendo 0,22% de cobre), aumenta a tendência de ocorrer trincas.

Efeitos na Têmpera e Revenimento

Os processos de acabamento e as propriedades finais também são afetados pelos elementos residuais (Fig.1, Tabela 2). A fragilidade em contorno de grão (Tabela 3), a qual pode ocorrer até mesmo em aços estruturais de baixo carbono, é uma dessas propriedades e é função do tratamento térmico e da composição, sendo função principalmente dos elementos de ligas principais e dos elementos residuais. A maior parte da fragilidade ocorre nos aços com estrutura martensítica na condição temperada e revenida. Esta suscetibilidade é reduzida, de alguma forma, pela presença de estruturas bainíticas, perlíticas ou ferríticas.

A fragilidade em contorno de grão pode se manifestar como fragilidade ao revenido, trincas por corrosão sob tensão, fragilidade ao hidrogênio, ruptura por fluência, trincas no alívio de tensões e crescimento de trincas por fadiga térmica.

Elementos residuais em quantidades totais muito pequenas (< 200 ppm) podem causar fragilidade, mas as concentrações são, em geral, uma função do tempo e da temperatura de tratamento térmico. Os tipos de responsabilidade dos elementos pela fragilização (Tabela 3) podem ser categorizados como:

• Classe 1: Elementos que são a causa primária da fragilidade;

• Classe 2: Elementos que evidenciam a fragilidade;

• Classe 3: Elementos que aumentam a coesão do contorno de grão;

• Classe 4: Elementos que inibem a fragilidade em contorno de grão.

Por exemplo, a presença dos elementos da Classe 2 é necessária para que ocorra a fragilidade ao revenido. Lembrando que a fragilidade ao revenido é o resultado de um resfriamento lento na faixa de temperaturas entre 350 e 575°C ou a manutenção do aço nestas temperaturas por tempos relativamente longos. Alguns elementos (por exemplo, Mo, La, Ce) podem reduzir os efeitos da fragilidade ao revenido, mas afetam outras propriedades como a fadiga (especialmente as terras raras).

Finalmente, a segregação (micro ou macro) pode aumentar o nível tanto dos elementos de liga como dos residuais (especialmente P, S, Sn e As) nas regiões segregadas e, de forma adversa, afetar certas propriedades. A tenacidade e a zona afetada pelo calor na soldagem são exemplos típicos. As práticas de fundição são extremamente importantes para ajudar a reduzir os efeitos da segregação.

Efeitos na Cementação [4]

Em temperaturas elevadas, algumas das impurezas presentes nos aços baixa liga tendem a segregar para áreas como os contornos de grão e próximas à superfície. A cementação a gás, por exemplo, pode ser impactada de forma negativa, já que a transferência de carbono é impedida.

Em um experimento, [4] um aço 16MnCr5 (SAE 5115) foi cementado a gás a 930°C em uma atmosfera de CO-H2O-H2-He. Foi atingido um potencial de carbono de 1,3% após 1.000 minutos para a liga padrão (0,0025% Sb). Aumentando a quantidade de antimônio para 0,017% (170 ppm), este tempo foi para 2.000 minutos, e aumentando ainda mais para 0,058% (580 ppm), este tempo atingiu 6.000 minutos.

Foi encontrada a seguinte sequência para o efeito dos elementos residuais em retardar a cementação a gás: Sb > Sn > P > Cu > (Pb).

Em alguns casos, como na cementação em altas temperaturas, 1.040°C, é vantajoso adicionar deliberadamente certos traços de elementos (por exemplo, Al, Nb, Ti, N) para segurar os contornos de grão e ajudar a prevenir o crescimento excessivo do grão.

Considerações Finais

Os elementos residuais, em geral, chamam a nossa atenção quando estamos resolvendo um problema de tratamento térmico no qual seja crítico conhecer a composição química completa do material sendo investigado (e não somente a composição química como reportada pelo fabricante do aço no certificado de qualidade). Com frequência, o histórico de tratamento térmico prévio também é bastante relevante.

Finalmente, é importante entender como cada elemento residual afeta o aço, seja de forma individual ou em combinação com outros elementos. Indo à frente, com o conhecimento da presença dos elementos residuais, nós podemos projetar melhor os nossos ciclos de tratamento térmico e evitar custos devido a falhas. E agora poderei dormir melhor à noite.

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[1] Herman, J. C., and V. Leroy, Influence of Residual Elements on Steel Processing and Mechanical Properties, Metal Working and Steel Processing Conference, 1996;

[2] Effects of Tramp Elements in Flat and Long Products, European Commission on Technical Steel Research, 1995;

[3] Mohrbacher, Hardy, Effect of Tramp Elements in Unalloyed Low Carbon Steel, Conference Presentation, TAMOP-4.2.1/1-2008-0016, 2008;

[4] Ruck, Andreas, Daniel Monceau and Hans Jürgen Grabke, Effect of Tramp Elements Cu, P, Pb, Sb and Sn on the Kinetics of Carburization of Case Hardening Steels, Steel Research 67 (1996) No. 6;

[5] Krauss, George, Steel: Processing, Structure, and Performance, ASM International, 2005;

[6] McLean, M. and A. Strang, Effects of Tramp Elements on Mechanical Properties of Superalloys, Materials Science and Technology, Volume 11 Issue 1 (01 January 1084), pp. 454-464;

[7] Nickel, Cobalt and Their Alloys, Joseph R. Davis (Ed.), ASM Specialty Handbook, ASM International, 2000.

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Um Exemplo do Mundo Real

Pegando um caso recente de tratamento térmico de peças extremamente finas, de aproximadamente 1 mm de espessura, fabricado a partir de tiras de 4130. A carga consistia de 740 peças, que foram bem espalhadas em uma cesta e cobertas com uma tela para reter o calor durante a transferência para a têmpera. O peso líquido da carga era de apenas 1 kg. As peças foram tratadas num forno de têmpera integrado, a 870°C, mantido durante duas horas à temperatura de valor nominal com uma sonda de oxigênio para 0,30% de C e, em seguida, temperadas em óleo.

Durante a inspeção microestrutural para verificar a descarbonetação, foi detectado que as peças captaram carbono na superfície. Um “caso” fino foi desenvolvido, o que foi confirmado por meio de testes de microdureza (Tabela 1) e análise metalúrgica (Fig. 1). A microscopia óptica revelou diferenças súbitas na microestrutura martensítica próxima à superfície, dentro dos primeiros 0,20 mm, e na microestrutura do núcleo.

A explicação mais avançada e provável era de que o componente havia captado o carbono adicional a partir da atmosfera do forno. Uma revisão das tabelas do forno, no entanto, confirmou que o ponto de ajuste de carbono foi mantido durante todo o ciclo e que o tempo e a temperatura de austenitização estavam corretos. A uniformidade da temperatura do forno foi verificada e considerada dentro de ± 5,5°C. A atmosfera de gás endotérmico tinha permanecido consistente, bem como com um ponto de orvalho de entrada de + 6°C.

Embora o cálculo de carbono a partir do sinal de milivolts de uma sonda de oxigênio dependa de uma multiplicidade de fatores, incluindo a idade e a condição da sonda e a história de aquecimentos, uma variação de 5 mV (uma estimativa conservadora) equivale a uma mudança de carbono de somente 0,03%, dados os parâmetros de processo acima.

Se considerarmos a variação de dureza em função do teor de carbono no material, encontramos que um aço com composição nominal de 0,30% de C, temperado para 99,9% de martensita (Fig. 2), teria uma dureza resultante de 50 HRC, enquanto um aço com 0,32% C teria 51 HRC e outro com 0,34% C teria 52 HRC. Assim, uma variação sutil no teor de carbono do aço em si poderia explicar esse fenômeno.

Fontes de Variação de Dureza

Para investigar de forma completa a variação de dureza, como a reportada, precisamos considerar todos os fatores que possam estar envolvidos

Composição Química e Variação no Teor de Carbono

Podem ocorrer variações na composição do aço (e no endurecimento resultante) nas partes de um componente. Cada tipo de aço tem uma faixa de composição aceitável para cada um dos elementos que ela contém. No caso da liga 4130, a faixa permitida de carbono é de 0,28 a 0,33%. Podem surgir variações no teor de carbono devido a efeitos de microssegregação, oriundas de uma determinada variação de aquecimento, variação de aquecimento para aquecimento e pela captação de carbono ou descarbonetação experimentadas durante os ciclos de tratamento térmico. Depender exclusivamente dos dados de certificação do material pode ser enganoso. É sempre melhor analisar o material em questão, de modo que o teor real de carbono possa ser utilizado na previsão dos resultados.

Subaquecimento

Isto pode ocorrer devido à temperatura baixa e/ou tempo insuficiente à temperatura. O resultado é que o componente ou alguma região dentro do componente pode nunca alcançar a temperatura crítica superior no aquecimento, por um tempo suficiente durante o período de austenitização do ciclo de endurecimento. Por exemplo, a temperatura crítica inferior de aquecimento (Ac1) para o aço 4130 é de aproximadamente 750°C, enquanto a temperatura crítica superior (Ac3) é de aproximadamente 800°C. A temperatura normal de austenitização especificada para este aço é de 870°C. Se a austenitização for insuficiente, partes ou a totalidade da seção transversal da peça podem não ser martensíticas após a têmpera.

Carregamento do Forno

Em um esforço para maximizar a produtividade, corremos o risco de sobrecarregar o forno ou, no caso de certos fornos contínuos, empilharmos as peças em cima de outra, formando grandes aglomerações. Nestes casos, existe uma alta probabilidade de que algumas das peças sejam subaquecidas. Uma maneira de saber se isso está acontecendo é ter um banco de dados de microestruturas (e correspondentes valores de dureza), que representem os produtos austenitizados adequadamente e os subaquecidos, com base em dados empíricos recolhidos ao longo do tempo ou experimentos projetados.

Superaquecimento

Exceder a temperatura de austenitização recomendada para um determinado aço nunca é uma boa prática, especialmente para os aços que possuem níveis de carbono nos quais quantidades significativas de austenita retida podem se formar na microestrutura endurecida. A austenita retida é mais mole do que a martensita e quantidades crescentes desta fase resultarão em menores valores de dureza. Temperaturas excessivamente altas também podem promover o crescimento dos grãos. Se isto ocorrer antes da têmpera, a temperabilidade irá aumentar e as microestruturas resultantes e os níveis de dureza irão variar em conformidade com isto. Isto é particularmente importante por causa da ênfase atual no aumento da produtividade, reduzindo os tempos de ciclo por meio da utilização de temperaturas de austenitização mais elevadas.

Tempo de Transferência do Aquecimento para a Têmpera

Precisamos considerar a temperatura crítica superior no resfriamento (Ar3) e a temperatura crítica inferior no resfriamento (Ar1), bem como os diagramas TTT (tempo, temperatura, transformação) e/ou CCT (transformação com resfriamento contínuo). Estes irão fornecer orientações sobre as temperaturas que devem ser mantidas antes da têmpera. A taxa de resfriamento determina se será desenvolvida uma microestrutura plenamente martensítica e os níveis de dureza correspondentes que irão ocorrer.

Se os componentes forem mantidos na faixa intercrítica, entre a Ar3 e a Ar1, ou resfriados de forma insuficiente através dela, será formada ferrita pró-eutetóide. Se as taxas de resfriamento forem insuficientes, resultarão em várias quantidades e combinações de produtos de transformação não-martensíticos (NMTPs), com níveis de dureza correspondentemente menores. A Fig. 2 é uma ferramenta de valor inestimável para avaliar a dureza relativa que pode resultar e é possível observar que para um dado teor de carbono, digamos 0,30% C, a dureza pode variar de 50 HRC (99,9% de martensita) a 37 HRC (50% de martensita).

Resumindo

O desafio ao se falar sobre as mudanças sutis na dureza é que a variabilidade pode ser induzida por muitos fatores. Para todos os casos discutidos aqui, o leitor pode provavelmente pensar em exemplos de sua experiência que foram causados por outros fatores. No entanto, a discussão é que é importante. Ela traz à tona o fato de que, se grande ou pequena, as mudanças na dureza precisam ser exploradas e as causas determinadas para que os nossos processos sejam mantidos sob controle.

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[1] Mr. Craig Darragh, AgFox LLC, technical contributions and private correspondence;

[2] Mr. James Oakes, Super Systems, Inc., technical contributions and private correspondence;

[3] Practical Data for Metallurgists, 17th Edition, The Timken Company.

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As técnicas de instalação corretas e bons procedimentos de manutenção são essenciais. O problema operacional mais comum em fornos atualmente é um controle de temperaturas inadequado devido, em grande parte, ao fato de os termopares estarem no forno por mais tempo do que a sua expectativa de vida normal.

Como Instalar Termopares

Uma característica comum a todos os fornos é o fato de que dentro da sua câmara isolada há níveis horizontais com o mesmo fluxo de calor (ou seja, áreas de temperaturas iguais chamadas de isotermas). Os fatores que causam a ocorrência destes níveis, ou gradientes, de temperaturas incluem aquecimento desigual, circulação inadequada, distribuição desigual da carga de trabalho dentro do forno, localização inadequada da fonte de aquecimento e outros. Para um termopar detectar adequadamente a temperatura do forno, ele deve ser orientado em paralelo a estas isotermas e instalado dentro do forno com um mínimo de 20 vezes o diâmetro do termopar. Por exemplo, um termopar com diâmetro de 3 mm terá que ser inserido 63,5 milímetros para dentro da câmara do forno.

Qual o Máximo Comprimento Útil de um Termopar?

Os dois fatores principais para determinar o comprimento útil de um termopar são a resistência total do circuito e a prevenção de ruídos no sinal elétrico. Como os termopares são feitos com dois fios diferentes, a resistência elétrica irá variar com base no tipo de fio, bem como em função do seu diâmetro e comprimento. A resistência do circuito permitida (tipicamente inferiores a 100 ohms) é afetada pela resistência de entrada do circuito do amplificador ao qual ele está ligado. Como orientação geral, um fio de 20 AWG (American Wire Gauge – Escala Americana Normalizada) ou mais grosso é adequado para operar a até 30 metros. O fio do termopar gera um sinal de baixa tensão e não deve ser utilizado perto de fios de energia, motores, etc. Para ajudar a minimizar o efeito de ruídos, os termopares utilizados em aplicação nos fornos industriais são quase sempre instalados em um conduíte metálico separado.

Há 3 tipos básicos para a construção de termopares (Tabela 1). Cada um tem suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, um termopar com revestimento cerâmico (Fig. 1) perde em flexibilidade quando comparado com os termopares feitos à base de metal, os quais podem ter vários tipos de isolantes colocados diretamente no fio, fazendo-o extremamente flexível. Por outro lado, os termopares com revestimento cerâmico podem ser utilizados, com frequência, em temperaturas de operação mais altas do que muitos dos termopares feitos à base de metal.

Os termopares de isolação mineral, com uma bainha metálica (Fig. 2), apresentam um desempenho excelente e podem substituir, em muitos casos, os elementos com revestimento cerâmico e os feitos à base de metal. O cabo com bainha metálica pode ser encontrado em diversos tamanhos e materiais e pode ser otimizado para aumentar o tempo de medições de temperaturas de forma estável.

Por Que Utilizar Tubos de Proteção?

Geralmente os termopares são inseridos dentro de um tubo de proteção (Fig. 3). Os tubos de proteção (Tabela 2) são utilizados para isolar os termopares de contaminante e/ou de danos mecânicos. O profissional de tratamento térmico deve estar ciente de que todos os tipos de tubos de proteção de termopares podem trincar ou se deformar, mesmo em ambientes nos quais eles deveriam proteger, caso os mesmos forem potencialmente danosos. Além disso, a contaminação devido ao manuseio/toque nos fios, óleos e pós dentro do tubo de proteção e contaminações oriundas do lado externo do tubo de proteção são alguns dos muitos fatores que podem causar erro na leitura do termopar.

Colocando Termopares na Carga de Trabalho

Para cargas estacionárias, uma das melhores formas de se determinar a temperatura da peça é utilizar um ou mais termopares na carga de trabalho. Idealmente, você gostaria de ter acesso a um furo cego interno que te permitisse medir a temperatura no centro da maior espessura da seção transversal da peça. Infelizmente, nem sempre podemos dar-nos a este luxo. A próxima melhor escolha é é utilizar blocos postiços, os quais são pré-usinados e representativos da máxima seção transversal das peças da corrida. Se não for possível nem o furo cego e nem bloco postiço, o melhor seria a colocação do termopar em contato direto com a superfície da peça, utilizando a regra de ouro de uma hora por polegada de área da seção transversal para o encharque da peça.

Esteja ciente de que apesar de algumas pessoas sugerirem que o contato seja feito pela soldagem de uma extremidade do termopar à peça, esta prática é altamente questionável, pois pode alterar o sinal em milivolts e fornecer resultados imprecisos. O epóxi ou outros adesivos falham prematuramente em serviço e não são uma boa escolha. Fazer uma corrida com uma carga teste, simulando as condições de processo, é, com frequência, a melhor maneira de se determinar os tempos de aquecimento e de encharque para cargas em movimento ou em fornos com mecanismos de transferência internos.

Termopares na Indústria de Tratamento Térmico

O profissional de tratamento térmico, e não o fabricante original do equipamento ou o departamento de manutenção, é que deveria ser o responsável pela seleção do tipo de termopar, bem como por assegurar que eles estejam na posição correta dentro do forno (tanto em termos de localização quanto da profundidade de inserção) para assegurar a medição e o controle de temperatura do forno. Se os termopares estiverem localizados muito próximos das fontes de aquecimento ou de isolamento ou se estiverem, ainda, muito próximos da própria carga, eles não irão mostrar a temperatura correta do forno. Se a checagem da uniformidade de temperaturas for realizada nas áreas de carga de trabalho, ela irá conduzir a um desvio do termopar de controle. Apesar de, em alguns casos, serem permitidas compensações de temperatura, esta prática é altamente desaconselhada.

A maioria das aplicações de processamento térmico na indústria metalúrgica, incluindo praticamente todos os processos de tratamento térmico, ocorre na faixa de -185 a 1.650°C. Nenhum tipo de termopar consegue trabalhar nessa faixa inteira e, muitas vezes, tentamos utilizar um termopar em particular muito além de sua temperatura normal, simplesmente porque “ele está disponível”. Esta prática deveria ser evitada, uma vez que afeta tanto a precisão quanto a vida útil do termopar se exposto a condições anormais. Por mais estranho que possa parecer, não é raro encontrar o tipo errado de termopar sendo utilizado para controlar um processo crítico.

Os termopares devem ser verificados regularmente quanto à sua precisão, em relação a um padrão de termopar conhecido e certificado (sonda). E este procedimento deve ser realizado (pelo menos) anualmente. Esta calibração deve ocorrer com o termopar instalado em seu local de funcionamento normal para serem obtidas medições confiáveis. A vida útil de um termopar depende da sua temperatura de trabalho, do tempo na temperatura de operação, da temperatura ambiente, dos ciclos de trabalho (altas ou baixas variações de temperaturas) e, muito frequentemente esquecido em aplicações de tratamento térmico, a influência dos contaminantes a que estão expostos tanto o termopar como o próprio tubo de proteção. Muitos termopares são substituídos periodicamente, tipicamente a cada seis a nove meses, dependendo da severidade da aplicação final.

Normas Industriais

O fio de termopar segue diversos padrões industriais (Tabela 3).

Considerações Finais

Os temopares não são, como muitos acreditam, uma tecnologia na qual se faz a instalação e esquece. Eles necessitam de um monitoramento constante e confirmação da sua precisão para assegurar que a temperatura que está sendo medida e controlada é precisa. Lembre-se, a qualidade dos seus produtos são altamente dependente destes dispositivos simples e relativamente baratos, o que faz com que a sua correta seleção, cuidados e substituição sejam críticos para o seu sucesso.

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[1] Mr. James T. LaFollette, GeoCorp, Inc. (www.geocorpinc.com), technical and editorial review.
[2] Herring, Daniel H., “What is a Thermocouple?” Heat Treating Progress, March 2003.
[3] ASTM E230/E230M-12 (Standard Specification and Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized Thermocouples), ASTM International.
[4] The Right Thermocouple Makes A World of Difference, The Cleveland Electric Laboratories, white paper.
[5] Volume 4: Heat Treating, Metals Handbook, 10th Edition, ASM International.
[6] Wang, T. P., Thermocouples for Special Applications, Proceedings of the International Conference: Equipment and Processes, 1994, ASM International.
[7] Nanigian, J., Improving Accuracy and Response of Thermocouples in Ovens and Furnaces, Proceedings of the International Conference: Equipment and Processes, 1994, ASM International.
[8] Omega Electric Company (www. omega.com).
[9] Kanthal Corporation (www.kathal.com).

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O Que É Um Termopar?

Os termopares (Fig. 1) são utilizados para detectar a temperatura em fornos de tratamento térmico e são um tipo de sensor elétrico que consiste em dois metais diferentes, unidos entre si, que produzem uma tensão de saída quando sujeitos a uma diferença de temperatura. A junta final, que é colocada no interior do forno, é chamada de junta “quente” (ou de medição). A extremidade junto ao conector do lado de fora do forno é chamada de terminação final e a extremidade unida à instrumentação é comumente chamada de junta “fria” (Fig. 2). Uma força eletromotriz (FEM) é gerada. A FEM é medida em milivolts que são proporcionais à diferença de temperatura entre as extremidades quentes e frias. Os diferentes tipos de materiais utilizados para a construção de termopares produzem sinais de saída diferentes.

O fio de extensão, que deve coincidir com as características termoelétricas do termopar, é utilizado para conectar a terminação final com a instrumentação de temperatura. Este fio é geralmente especificado pelo tipo de termopar e, se for calibrado, a calibração é feita para um conjunto específico de temperaturas – por exemplo 0°C, 20°C e 65°C.

Alguns organismos de auditoria dizem que o fio de extensão não necessita de calibração, uma vez que o fio apenas transfere o sinal de entrada para o conjunto do termopar. O que é especialmente importante, no entanto, é evitar a criação de junções adicionais emendando-se fios. Isto pode causar leituras erradas. É necessário um conduíte separado para toda a extensão do fio condutor para isolar ou bloquear o fio de sinais de tensão transmitidos por outras fiações elétricas ou da energia de máquinas que estão próximas. Há uma blindagem para o fio chamada de fio de drenagem se não houver um conduíte separado para o fio extensor.

O Que É Um Fio de Termopar?

O fio de termopar consiste em dois metais diferentes que são unidos entre si na extremidade final do sensor do termopar. Diferentes tipos de termopares (por exemplo, J, K, N) utilizam diferentes tipos de metais para esses fios (Tabela 1 e Tabela 3) e têm diferentes aplicações (Tabela 2). Estes fios são recobertos com diferentes isolantes (Fig. 3), incluindo fibra de vidro, sílica vítrea e fibra cerâmica, para citar alguns.

O Que É O Fio Extensor?

O fio extensor (Fig. 4) é utilizado para estender um sinal do termopar da cabeça de ligação para o instrumento de leitura do sinal. As classes de fios extensores tipicamente têm um limite inferior de temperatura operacional (normalmente temperatura ambiente) na qual o fio pode ser utilizado. São empregados isolantes como o PVC, Teflon®, Kapton® e fibra de vidro. Como regra, o fio do termopar pode ser usado como fio de extensão, mas o fio extensor não pode ser utilizado no ponto de detecção (ou na parte da sonda) do termopar.

Nossa discussão continua na Parte 2, na próxima edição.

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