Comparando cementação e têmpera por indução

Reduzir gastos na indústria automotiva ou proporcionar uma operação livre de serviços em componentes “off-shore” para as indústrias petrolífera ou eólica são desafios que dependem da qualidade dos componentes utilizados.
O tratamento térmico – aqui, o endurecimento da superfície – desempenha um papel importante na busca para que sejam mantidas dimensões geométricas tão pequenas quanto possível, aumentando, ao mesmo tempo, a resistência mecânica das mesmas

A tecnologia de fabricação inteligente é uma ferramenta essencial em tempos de aumento de concorrência entre os fabricantes, sejam eles nacionais ou internacionais.

Este artigo compara os processos de cementação e têmpera por indução, trazendo as vantagens no método por indução quando a aplicação for dedicada às linhas de produção integradas, alta produtividade, eficiência energética, repetitividade e flexibilidade dos materiais.

Fundidos, aquecidos e pré-formados a morno, geralmente não possuem as propriedades microestruturais necessárias para satisfazer as demandas e requisitos operacionais. Diferentes métodos de aquecimento ou tratamento térmico são utilizados para aumentar ou otimizar as propriedades mecânicas do material, sejam elas desgaste, resistência, fadiga, força ou ductilidade.

O tratamento térmico pode ser definido como sendo “uma série de operações em curso”, da qual um material sólido, ferroso ou não ferroso é total ou parcialmente exposto a ciclos térmicos que provocam uma modificação das suas propriedades e/ou estruturas. A composição química do produto poderá eventualmente sofrer alterações durante estas operações. Enquanto a têmpera por indução é um processo basicamente térmico, a cementação poderá ser um processo termoquímico.

Uma pré-condição para o aumento da dureza de um respectivo material é seu teor de carbono correspondente em conjunto aos elementos contidos em sua liga. Além disso, um exame cuidadoso da geometria da peça, especificações de têmpera e os processos de tratamento térmicos são necessários para a escolha do melhor método aplicado.

Cementação

Processos de tratamentos térmicos são utilizados para se prolongar a vida útil de uma peça por meio do aumento da dureza de sua superfície e resistência ao desgaste, mantendo-se o material dúctil, elástico e sem alteração na microestrutura do núcleo. Aços adequados para a cementação possuem um teor de carbono ao redor de 0,1 a 0,3% em peso, insuficientes para se obter uma dureza elevada de, por exemplo, 60HRC, sendo assim, a peça precisará ser “carburada” – que é a absorção do carbono na superfície da peça por difusão.

A carburação ocorre por difusão do carbono na superfície da peça de trabalho sob uma atmosfera de carbono difundido; gás portador e gás aditivo ou cementante constituem a base para o forno de cementação gasosa, onde a fase de endurecimento ocorrerá na próxima fase do processo a temperaturas ao redor de 850°C a 950°C.

Fatores cruciais para a escolha correta do processo de cementação são os parâmetros específicos do material e dureza requerida em conjunto com a composição do gás inerte e atmosfera homogênea do forno.

O aumento da dureza é conseguido com o aquecimento até a temperatura de austenitização durante um período de tempo pré-determinado, seguida da fase de têmpera. O ponto crucial aqui é a difusão do carbono na superfície do aço austenitizado. A quantidade de carbono difundido dependerá da composição do material e estado inicial de sua microestrutura. Períodos muito longos ou temperaturas excessivas durante a fase de austenitização poderão impactar negativamente o processo. Neste processo, o tratamento térmico poderá ser seguido por um período de resfriamento sob temperaturas mais baixas ou diretamente para um processo de revenimento. Ambos resultando numa redução da austenita residual, redução nsa propriedades de distorção e dureza.

O revenido é obtido em faixa de temperaturas inferiores à fase de endurecimento, sendo esta ao redor de 180°C a 250°C para aços de baixa liga; neste ponto quanto mais subirmos a temperatura maior a redução da dureza superficial.

Têmpera por Indução

Na têmpera por indução, uma peça metálica é submetida parcial ou totalmente a um campo eletromagnético alternado através de um indutor para o transporte e transferência da corrente elétrica para a peça por meio da “lei de Faraday”. Correntes parasitas ou “eddy-currents” são geradas na peça em sentido oposto à corrente inicial e, consequentemente, devido à resistência elétrica alta do próprio material/peça gerando calor.

No contexto da têmpera por indução, a expressão “ciclo curto de autenitização” é bastante utilizada, uma vez que em comparação com outros processos a temperatura para esta fase é alcançada em apenas alguns segundos, sendo estas geralmente entre 50°C a 150°C acima das temperaturas atingidas em fornos convencionais. A sequência de etapas durante o processo de têmpera consiste essencialmente no aquecimento, espera, resfriamento e a possibilidade para o revenimento posterior, sendo assim, notamos que o processo de tratamento térmico ou têmpera por indução é sensivelmente mais rápido do que o outros.

Todo o processo é devidamente controlado por sistemas de monitoramento, permitindo, desta forma, que os resultados sejam reproduzidos de maneira confiável. As propriedades de microestruturas poderão ser pré-definidas, profundidade da camada e níveis de carbono poderão variar de acordo com um simples ajuste de frequência ou energia aplicada, a distância entre o indutor e a peça, bem como a fase de resfriamento (tempo e meio), também são passíveis de ajuste. O método de aquecimento é determinado basicamente pela geometria da peça e os parâmetros de têmpera (Fig. 2). Peças cilíndricas, por exemplo, poderão ser temperadas por indutores tipo “scanner” ou pelo método denominado “single-shot”, no qual a peça é aquecida de uma só vez (Fig. 3). Dentes de engrenagens, dependendo da aplicação, poderão ser temperados apenas no vale, crista, laterais ou em todo seu contorno, pelo método de “single-shot” rotativo, estacionário ou pelo método de dente por dente tipo “scanner”.

Na Fig. 2 poderemos reparar que a superfície se tornou dura e o núcleo continua maleável por razões mecânicas de aplicação.

Vantagens da Têmpera por Indução

Os benefícios técnicos e econômicos pelo processo de têmpera por indução são significantes, particularmente no aspecto de eficiência energética. Se por um lado temos a possibilidade de adaptar a máquina aos requisitos específicos de cada cliente e integrá-la a suas linhas de produção em série, por outro existe a opção para máquinas de trabalho totalmente independentes.

Máquinas de têmpera por indução modernas são caracterizadas por uma maior flexibilidade a mudanças constantes nos tipos de dimensões de peças a serem tratadas, tendo como critérios relevantes:

• Tempo de ciclo reduzido;

• Integração direta a linhas de produção;

• Precisão e reprodutibilidade – graças a indutores de alta eficiência e “design” dedicado;

• Custo baixo de usinagem posterior, endireitamento-distorções.

Como opção, estas máquinas poderão ser equipadas e personalizadas com sistemas e funções adicionais conforme a necessidade específica de cada cliente, por exemplo:

• Estações de trabalho modulares;

• Carregamento automático ou manual;

• Aquecimento total “single-shot” ou “scanner” progressivo;

• Possibilidades individuais de combinações para a têmpera e revenimento;

• Integração de etapas intermediárias de trabalho (pós-resfriamento; endireitamento, etc);

• Projeto customizado de indutores, por exemplo: câmara de gás inerte integrada etc.

O processo de têmpera por indução é geralmente seguido pelo processo de revenimento, sendo este responsável por aliviar ou reduzir as tensões internas causadas pelo crescimento do volume dos materiais em sua microestrutura durante a formação da martensita. Além disso, ele permite que a dureza após a têmpera da peça seja atingida conforme as especificações do cliente, sendo revenimento conseguido de diversas maneiras:

• Revenimento a partir de calor residual;

• Revenimento por indução;

• Revenimento em forno convencional.

O revenimento por indução pode ser realizado e integrado ao processo de têmpera pelo uso de máquinas de duplo fuso; isto permitirá a têmpera seguida de revenimento por indução para uma ampla gama de diferentes geometrias das peças. O conceito adequado para a máquina de têmpera, bem como os componentes periféricos para uma parametrização exata de todo o processo (por exemplo, tecnologia do inversor, unidades de controle ou transformadores de alimentação, refrigeração dos circuitos elétricos, refrigeração dos sistemas de ducha etc), são essenciais para se atingir as principais demandas como:

• Reação rápida para os ciclos de aquecimento extremamente curtos;

• Operação contínua sob carga;

• Frequência variável;

• Circuitos de proteção confiáveis contra surtos de corrente e voltagem;

• Modo de espera (desligamento automático das unidades auxiliares);

• Acessibilidade e facilidade de manutenção;

• Espaço reduzido para a instalação.

Exemplo de Aplicação: Comparação de Custos

O cálculo exemplificativo refere-se apenas ao consumo de energia necessária para o processo de tratamento térmico definido e descrito. Outros custos, como aquisição dos equipamentos e máquinas, sendo fornos, máquina por indução, sistemas de carregamento e descarregamento das peças a serem tratadas, bem como custos com novas etapas de trabalho, endireitamento, pessoal etc, não estão inclusos neste estudo. Em contrapartida, a eliminação ou redução de custos como pré-usinagem, aquisição de material, jateamento, pós-usinagem de peças oferece um potencial de redução de custos em comparação ao processo de cementação. Ainda, com relação ao desgaste de um forno convencional por batelada e sistemas de carregamento, custos adicionais poderão ser experimentados, como o aumento de custos de manutenção.

Exemplo 1: Cementação de Aço 16MnCr5

Neste exemplo, utilizou-se um forno de cementação tipo poço. A camada requerida foi de 2 mm e dureza de 57-62 HRC, dimensões do eixo a ser tratado 30 x 500 mm com 3 kg de peso; para uma carga de 8 toneladas foram necessárias 46 horas e um custo aproximado de $ 1.353,00 USD.

Exemplo 2: Têmpera e Revenimento por Indução de Aço 42CrMO4

Camada requerida de 2 mm a uma dureza de 57-62 HRC, as dimensões dos eixos são as mesmas que as utilizadas no exemplo 1, (30x500mm), porém, utilizamos uma máquina de têmpera tipo “single-shot”; o peso da peça também é o mesmo e uma carga de 8000 kg corresponde a 2667 eixos, o tempo de ciclo é, neste caso, de 20 segundos (consistindo o mesmo em aquecimento, têmpera e revenimento). Sendo necessários 0,56 Kw por eixo, teremos 1492 Kw/hr para 8 toneladas, multiplicado pelo custo do Kwhr teremos um total aproximado de $150USD em aproximadamente 15 horas.

A comparação direta e pura da energia aplicada mostra a vantagem do processo indutivo para o caso de têmpera e revenimento para peças específicas e que adequadas a este tipo de aplicação, nos exemplos utilizados, notamos que o tempo do processo indutivo é ao redor de 1/3 do tempo para o processo por batelada.

Conclusão

Processos de tratamento térmico como a têmpera por indução e cementação, entre outros, são necessários para se atender às enormes exigências industriais de qualidade para cada peça ou componente. Como, por exemplo, a resistência às altas vibrações do material poderão ser otimizadas por ambos os métodos, proporcionando que tais peças ou componentes sejam capazes de suportar elevadas cargas dinâmicas.

A grande variedade dos processos convencionais de têmpera e seus diferentes campos de aplicação não são questionados. A criação de microestruturas individuais, principalmente no aço com elementos de ligas específicas, torna-se possível devido a processos cuidadosamente equilibrados e tratamento térmico em fornos convencionais. Em muitos casos, no entanto, uma solução de indução é muito mais rápida e muito mais econômica para se alcançar os parâmetros de dureza de superfície específicos e/ou propriedades microestruturais. Os fabricantes de máquinas de têmpera por indução estão prontos para compartilhar este conhecimento e “know-how”, o que apenas, por meio do cálculo de energia, já mostra uma diferença significativa em favor do método indutivo; os elevados custos de investimento para os fornos convencionais em contraste com os valores relativamente mais baixos se comparados às instalações de aquecimento indutivo; a facilidade de integração de uma máquina de têmpera por indução em uma linha de produção contínua também comprova suas vantagens nestes tipos de aplicações e indústrias, garantindo, assim, uma opção rentável.

Para mais informações: Contate José Machado Júnior, General Manager SMS Elotherm Brasil, Alameda Rio Negro 1030 cjto 803, tel: (11) 4191-8181; e-mail: j.machado@sms-elotherm.com.br.

 

José Machado Jr.
José Machado Jr.
General Manager SMS Elotherm Brasil, Alameda Rio Negro 1030 cjto 803, tel: (11) 4191-8181; e-mail: j.machado@sms-elotherm.com.br.

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