Endurecimento Superficial por Indução Eletromagnética

Sempre que um metal é aquecido, alguma distorção em sua forma irá ocorrer. Paralelamente, o endurecimento superficial por indução, oferece alta estabilidade dimensional, principalmente em peças de formas simétricas. Existem alguns fatores que afetam a distorção do componente endurecido incluindo, geometria, propriedades do metal, perfil de dureza, tensão residual antes do tratamento térmico, entre outros[1].

Para minimizar a região de distorção, é desejável ter um tempo de aquecimento o mais curto possível. O aquecimento rápido permite a concentração do calor na camada superficial. Quanto maior o tempo de indução de calor na peça, maior a massa aquecida e maior a expansão, conduzindo a uma maior distorção. Por tais motivos, o tempo e a temperatura de tratamento térmico por indução eletromagnética são importantes fatores no estabelecimento da estrutura do metal[1,3, 27].

Com a alteração na temperatura do aço carbono, algumas das propriedades que afetam o processo de aquecimento eletromagnético mudarão. As mais significantes são a permeabilidade magnética (µ), a resistividade elétrica (ρ) e o calor específico (c)[1].

No primeiro estágio do aquecimento, a peça é ainda inteiramente magnética, a permeabilidade magnética é alta, e a profundidade de penetração (δ) de corrente é muito pequena (equações 3.2 e 3.3). Portanto, o efeito superficial é predominante. Além disso, as perdas de calor na superfície da peça são relativamente baixas pois, a temperatura também é relativamente baixa[1]_.

Durante este estágio, a eficiência elétrica da bobina aumenta devido ao aumento da resistividade elétrica do metal com a temperatura, ao mesmo tempo, a permeabilidade

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magnética permanece alta. Uma branda redução da permeabilidade magnética não causa efeito no aumento da eficiência elétrica. Passado um certo tempo, a eficiência elétrica atinge seu máximo e então começa a decrescer em função da queda brusca de µ, quando a superfície atinge temperaturas acima do ponto Curie[10].

Após a temperatura na superfície ultrapassar a temperatura de Curie tem-se o início do segundo estágio, onde, a resistividade elétrica do aço carbono aumenta aproximadamente duas a três vezes em relação ao seu valor inicial. Um decréscimo da µ e um aumento da ρ provocam alterações de seis a dez vezes a mais na profundidade de penetração contra o seu valor no estágio inicial[1]. A maior parte da energia é agora induzida na superfície e nas camadas internas da peça.

Finalmente, no terceiro estágio, a espessura da camada superficial com propriedades não magnéticas, excede a camada de penetração no aço quente e a densidade de energia terá, então, uma distribuição exponencial ao longo da espessura do aço[1].

A diferença entre temperaturas de tratamento térmico por indução e o tratamento térmico em forno, está inerentemente relacionado à curta taxa de tempo de aquecimento para o método de indução e seus efeitos nas temperaturas de transformação de fases. A dureza e o perfil de dureza de peças austenitizadas por indução, dependem da composição química (microestrutura primária) e da severidade do meio de têmpera para o aço[4].

A velocidade do aquecimento por indução de alta frequência varia de, aproximadamente, 30 a 300°C/s, o que é muitas vezes maior que a velocidade de aquecimento em forno convencional, e condiciona importantes particularidades na cinética da formação da austenita, que desloca esta transformação para as temperaturas mais altas[1,3,30].

O tempo para formar uma microestrutura completamente austenítica depende da temperatura de austenitização selecionada e da microestrutura inicial. Em todos os casos, a velocidade com a qual a austenita é formada é controlada pela difusão do carbono, um processo que pode ser acelerado por um aumento da temperatura, como pode ser visto na Figura 3.13 para um aço de composição eutetóide. Observa-se que o tempo para austenitazação completa deste aço com microestrutura inicial de perlita, diminui de aproximadamente quatrocentos segundos (400s) a uma temperatura de austenitização de 730°C, para cerca de trinta segundos (30s) a uma temperatura de austenitização de 750°C [4]_.

24 Figura 3.13: Exemplo do efeito da temperatura de austenitização no tempo de formação da austenita em perlita

no aço eutetóide[4]_.

Para o tratamento térmico por indução eletromagnética do aço 4130, Macedo et. al (2011)[31] determinou por meio da técnica de dilatometria, as temperaturas críticas de início (Ac1) e fim (Ac3) de formação da austenita, mostradas na Figura 3.14, obtidas a partir de uma microestrutura inicial de ferrita e perlita a taxas de aquecimento de 10, 30, 50, 70 e 90°C/s. Com uma baixa taxa de aquecimento (10°C/s), é possível identificar a temperatura de início da transformação da ferrita em austenita (Afi), cerca de 790°C, após a dissolução da perlita. A nucleação da austenita ocorre nas interfaces entre as colônias de perlita e na interface ferrita- cementita, o que implica em altas taxas de formação, devido às pequenas distâncias para a difusão do carbono. Para taxas de aquecimento acima de 30°C/s, Afi não é facilmente identificada nas curvas dilatométricas. O aumento da taxa de aquecimento entre 10°C/s e 90°C/s não influenciou em Ac1, mantendo-a próxima a 740°C, porém mudou Ac3, a qual aumentou de 920°C para 1035°C.

Figura 3.14: Curvas dilatométricas (ΔL=f(T)) e suas derivadas (dΔL/dT=f(T)) para o aço SAE4130, sob

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Para obter a camada de penetração requerida com o tratamento térmico de têmpera e revenimento, é importante selecionar a densidade de energia e a frequência correta[1]. Intrinsecamente ligado a estes parâmetros se encontram duas formas mais comuns para o aumento de dureza mediante o tratamento térmico por indução: o endurecimento total da espessura da peça e o endurecimento superficial[1]. A figura 3.15 traça a relação da dureza com o raio da peça para os dois aspectos de endurecimento do material.

Figura 3.15: Comparação de perfis de dureza após endurecimento superficial e total por indução de um cilindro

de aço-carbono[1]_.

O objetivo do endurecimento completo é promover uma estrutura martensítica através da peça inteira. Para isto ocorrer, toda a seção transversal é aquecida acima da temperatura de transformação e então resfriada rapidamente para produzir uma estrutura martensítica consistente em toda a parede[1,4]. Devido a este aquecimento profundo, a seleção correta da frequência garante uma temperatura uniforme da superfície ao núcleo da peça no curto tempo do processo enquanto mantem alta a eficiência elétrica. Frequências típicas para esta forma de endurecimento são baixas a médias, na faixa de 500Hz a 80kHz.

O objetivo do endurecimento superficial por indução é promover uma camada de martensita em áreas específicas da superfície da peça que permite melhorar propriedades mecânicas sem afetar o restante da peça[1]_{. A têmpera superficial com endurecimento a} profundidades de 0,25mm a 1,5mm alcançado com tratamento térmico de alta frequência entre 10kHz a 2MHz, é realizada com intuito de melhorar a resistência dos componentes ao desgaste ou à fadiga para aplicações envolvendo carregamentos leve a moderado[4]_{. Para melhorar} propriedades contra fadiga proveniente de torção e/ou dobramento promove-se por têmpera o endurecimento a profundidades que variam entre 1,5mm a 12,7mm[10]_.

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O efeito de endurecimento superficial pode ser alcançado por causa do efeito de superfície (seção 3.1.1), que é a tendência de correntes induzidas fluírem próxima a superfície externa da peça. A profundidade deste efeito está relacionada com propriedades dos materiais e a escolha da frequência[1].

Geralmente, um endurecimento adequado significa alcançar: a microestrutura requerida, dureza, resistência ou tenacidade, enquanto minimiza tensões residuais, distorções e a possibilidade de fraturas.