11 - Endurecimento Superficial - Têmpera Superficial
11.1 - Introdução 11.1 - Introdução
O aquecimento superficial com a utilização do processo de têmpera superficial é O aquecimento superficial com a utilização do processo de têmpera superficial é um processo que consiste basicamente no aquecimento rápido acima da temperatura crítica um processo que consiste basicamente no aquecimento rápido acima da temperatura crítica de uma fina camada superficial da peça, seguida de um resfriamento rápido. Como de uma fina camada superficial da peça, seguida de um resfriamento rápido. Como conseqüência deste tratamento, toda a microestrutura que foi austenitizada se transforma conseqüência deste tratamento, toda a microestrutura que foi austenitizada se transforma em martensita. Como o aquecimento produz apenas uma pequena camada austenitizada, em martensita. Como o aquecimento produz apenas uma pequena camada austenitizada, somente ela será endurecida, ficando o restante da peça com a dureza original.
somente ela será endurecida, ficando o restante da peça com a dureza original. Como resultado teremos uma camada superficial de
Como resultado teremos uma camada superficial de dureza elevada, correspondentedureza elevada, correspondente ao teor de carbono original do aço e um núcleo dúctil e tenaz. Para que se consiga obter ao teor de carbono original do aço e um núcleo dúctil e tenaz. Para que se consiga obter esta fina camada endurecida é necessário que a fonte de calor produza um aquecimento esta fina camada endurecida é necessário que a fonte de calor produza um aquecimento rápido, impedindo o aquecimento do restante da peça por
rápido, impedindo o aquecimento do restante da peça por condução do calor em direção aocondução do calor em direção ao núcleo.
núcleo.
Os principais motivos da utilização do endurecimento superficial são: Os principais motivos da utilização do endurecimento superficial são:
•• o tamanho da peças que torna difícil a utilização de processos convencionais deo tamanho da peças que torna difícil a utilização de processos convencionais de
têmpera; têmpera;
•• quando o endurecimento deve ser seletivo, isto é, quando temos a necessidade dequando o endurecimento deve ser seletivo, isto é, quando temos a necessidade de
temperar apenas algumas áreas que serão submetidas ao desgaste; temperar apenas algumas áreas que serão submetidas ao desgaste;
•• quando se requer precisão dimensional que não pode ser conseguida por outrosquando se requer precisão dimensional que não pode ser conseguida por outros
métodos; métodos;
•• quando se deseja utilizar materiais de baixo custo em peças de solicitação menosquando se deseja utilizar materiais de baixo custo em peças de solicitação menos
severa. severa.
Os dois processos mais utilizados para se atingir este objetivo são o processo de Os dois processos mais utilizados para se atingir este objetivo são o processo de têmpera por chama e o processo de aquecimento por indução, que serão comentados a têmpera por chama e o processo de aquecimento por indução, que serão comentados a seguir.
seguir.
11.2 - Aquecimento Por Chama 11.2 - Aquecimento Por Chama
Dentre os dois métodos citados o mais simples é aquele que utiliza o calor de uma Dentre os dois métodos citados o mais simples é aquele que utiliza o calor de uma chama para o aquecimento da peça. A chama utilizada deve ter alta temperatura e os gases chama para o aquecimento da peça. A chama utilizada deve ter alta temperatura e os gases de combustão devem atingir a peça com alta velocidade para uma melhor transferência de de combustão devem atingir a peça com alta velocidade para uma melhor transferência de calor. A chama mais utilizada neste caso é a chama oxi-acetilênica que combina alta calor. A chama mais utilizada neste caso é a chama oxi-acetilênica que combina alta temperatura e alta velocidade dos gases de combustão, permitindo bons resultados a um temperatura e alta velocidade dos gases de combustão, permitindo bons resultados a um
custo relativamente baixo. Este tipo de processo tem ainda a vantagem de produzir uma custo relativamente baixo. Este tipo de processo tem ainda a vantagem de produzir uma atmosfera neutra que protege a peça, evitando a descarbonetação ou a formação de uma atmosfera neutra que protege a peça, evitando a descarbonetação ou a formação de uma camada óxido.
camada óxido.
Embora este método seja de execução simples, existe uma série de fatores que Embora este método seja de execução simples, existe uma série de fatores que podem fazer com que a peça fique defeituosa, dentre os quais podemos citar o crescimento podem fazer com que a peça fique defeituosa, dentre os quais podemos citar o crescimento de grão devido ao superaquecimento, dureza baixa por aquecimento insuficiente, regiões de grão devido ao superaquecimento, dureza baixa por aquecimento insuficiente, regiões de diferentes durezas devido a aquecimento não uniforme e profundidade excessiva de de diferentes durezas devido a aquecimento não uniforme e profundidade excessiva de endurecimento devido a um aquecimento muito lento.
endurecimento devido a um aquecimento muito lento.
A maior dificuldade encontrada neste método é o fato de que se necessita de uma A maior dificuldade encontrada neste método é o fato de que se necessita de uma gama muito grande de formas de
gama muito grande de formas de queimadores da mistura combustível, cada um adaptado àqueimadores da mistura combustível, cada um adaptado à peça a ser aquec
peça a ser aquecida.ida.
Quanto mais complexa for a peça mais complexa é a forma do queimador, pois, Quanto mais complexa for a peça mais complexa é a forma do queimador, pois, para
para termos termos um um aquecimento aquecimento uniforme, uniforme, a a distância distância entre entre o o queimador queimador e e a a peça peça não não devedeve variar muito.
variar muito. Dois queimadores Dois queimadores típicos são mostradotípicos são mostrados na figura 11.1.s na figura 11.1.
Os métodos mais utilizados para a execução do aquecimento por chama são o Os métodos mais utilizados para a execução do aquecimento por chama são o método estacionário e o método progressivo. Em ambos os casos a peça ficará estática ou método estacionário e o método progressivo. Em ambos os casos a peça ficará estática ou poderá
poderá ter ter um um movimento movimento rotativo. rotativo. Quanto Quanto mais mais complexa complexa for for a a forma forma da da peça peça maior maior aa restrição ao seu movimento.
restrição ao seu movimento.
Figura 11.1 -
Figura 11.1 - Tipos de queimadores utilizados no aquecimento por chamaTipos de queimadores utilizados no aquecimento por chama(10)(10)..
O método estacionário com rotação da peça ou não, se presta para endurecimento O método estacionário com rotação da peça ou não, se presta para endurecimento seletivo ou para peças de pequenas dimensões e de forma regular. O método progressivo, seletivo ou para peças de pequenas dimensões e de forma regular. O método progressivo, também com rotação da peça ou não, se presta para endurecimento completo e para também com rotação da peça ou não, se presta para endurecimento completo e para endurecimento seletivo.
Nas figuras 11.2 e
Nas figuras 11.2 e 11.3 temos uma representação destes métodos.11.3 temos uma representação destes métodos.
Figura 11.2 -
Figura 11.2 - Peça aquecida pelo método estacionárioPeça aquecida pelo método estacionário(10)(10)..
Figura 11.3 -
Figura 11.3 - Peça aquecida pelo método progressivoPeça aquecida pelo método progressivo(10)(10)..
11.3 - Aquecimento por Indução 11.3 - Aquecimento por Indução 11.3.1 - Introdução
11.3.1 - Introdução
O aquecimento por indução é um processo que se aplica a materiais eletricamente O aquecimento por indução é um processo que se aplica a materiais eletricamente condutores pela geração de um campo magnético variável cujas linhas de força penetram condutores pela geração de um campo magnético variável cujas linhas de força penetram na peça. Este campo magnético variável induz um potencial elétrico o qual cria uma na peça. Este campo magnético variável induz um potencial elétrico o qual cria uma corrente elétrica variável que é dependente das características elétricas e da forma da peça. corrente elétrica variável que é dependente das características elétricas e da forma da peça. Um circuito de aquecimento por i
Um circuito de aquecimento por indução é fundamentalmente um transformador, no qual ondução é fundamentalmente um transformador, no qual o primário está representado pelas esp
primário está representado pelas espiras de uma bobina, através iras de uma bobina, através da qual passa uma cda qual passa uma correnteorrente elétrica alternada, e de um secundário constituído pela peça que vai ser aquecida.
Devido ao fato que todos os metais são condutores elétricos o aquecimento por Devido ao fato que todos os metais são condutores elétricos o aquecimento por indução é aplicável a uma variada gama de processos tais como fundição, tratamentos indução é aplicável a uma variada gama de processos tais como fundição, tratamentos térmicos, soldagem e aquecimento para forjamento. Este processo tem como principais térmicos, soldagem e aquecimento para forjamento. Este processo tem como principais vantagens a eficiência de transferência de energia para a peça e altas velocidades de vantagens a eficiência de transferência de energia para a peça e altas velocidades de aquecimento quando comparadas com os métodos convencionais de
aquecimento quando comparadas com os métodos convencionais de aquecimento.aquecimento.
Figura 11.4 -
Figura 11.4 - Sentido das correntes e do campo magnético em uma bobina ( a ) e correntesSentido das correntes e do campo magnético em uma bobina ( a ) e correntes parasitas induzidas na
parasitas induzidas na peça ( b )peça ( b ) (10)(10)..
11.3.2 - Princípios do
11.3.2 - Princípios do Aquecimento por InduçãoAquecimento por Indução
Quando colocamos um corpo metálico em um campo elétrico gerado por uma Quando colocamos um corpo metálico em um campo elétrico gerado por uma corrente alternada, campo este gerado por uma bobina, como está representado na figura corrente alternada, campo este gerado por uma bobina, como está representado na figura 11.4, teremos a produção de correntes de Foucault e de efeitos de histerese que gera 11.4, teremos a produção de correntes de Foucault e de efeitos de histerese que gera correntes parasitas, correntes que irão aquecer a peça. Sob a ação das correntes parasitas as correntes parasitas, correntes que irão aquecer a peça. Sob a ação das correntes parasitas as partículas de
partículas de ferro ferro tendem a tendem a se polarizar se polarizar em um em um determinado sentido, determinado sentido, criando-se em criando-se em cadacada uma delas um polo norte e um polo sul. Ao se variar o sentido do campo estas partículas uma delas um polo norte e um polo sul. Ao se variar o sentido do campo estas partículas tendem a seguir estas variações, variando o sentido de
tendem a seguir estas variações, variando o sentido de seus pólos e gerando-se uma fricçãoseus pólos e gerando-se uma fricção atômica interna que faz com que seja dissipado calor o qual ao dissipar-se eleva a atômica interna que faz com que seja dissipado calor o qual ao dissipar-se eleva a temperatura da peça. No aquecimento dos aços, o aquecimento por histerese tem pouca temperatura da peça. No aquecimento dos aços, o aquecimento por histerese tem pouca importância porque quando se ultrapassa a temperatura Curie ( aproximadamente 768 importância porque quando se ultrapassa a temperatura Curie ( aproximadamente 768 °°C)C)
onde o aço perde suas propriedades magnéticas as mesmas deixam de existir. As correntes onde o aço perde suas propriedades magnéticas as mesmas deixam de existir. As correntes de Foucault geradas tendem a se concentrar na camada superficial das peças. A de Foucault geradas tendem a se concentrar na camada superficial das peças. A distribuição destas correntes ao longo da seção das peças depende fundamentalmente da distribuição destas correntes ao longo da seção das peças depende fundamentalmente da freqüência
freqüência utilizada, da condutividade eléutilizada, da condutividade elétrica e das propriedades matrica e das propriedades magnéticas. Quando segnéticas. Quando se geram correntes de Foucault, o aço passa a atuar como uma resistência elétrica que se geram correntes de Foucault, o aço passa a atuar como uma resistência elétrica que se aquece pela passagem de uma corrente elétrica de acordo com a lei de Joule. O calor aquece pela passagem de uma corrente elétrica de acordo com a lei de Joule. O calor
corrente. Quanto mais alta for a temperatura, as correntes de Foucault diminuem de corrente. Quanto mais alta for a temperatura, as correntes de Foucault diminuem de intensidade, o que é uma vantagem pois com isto se evita automaticamente o intensidade, o que é uma vantagem pois com isto se evita automaticamente o sobreaquecimento excessivo da peça. Na figura 11.5 temos uma representação sobreaquecimento excessivo da peça. Na figura 11.5 temos uma representação característica da distribuição das correntes de Foucault na seção de uma peça de cobre. característica da distribuição das correntes de Foucault na seção de uma peça de cobre. Pode-se ver que quanto maior é a freqüência, maior é a concentração na superfície. Este é Pode-se ver que quanto maior é a freqüência, maior é a concentração na superfície. Este é um fator importan
um fator importante na determinate na determinação ção da freqüência da freqüência a ser utilizada a ser utilizada de acordo de acordo com acom a aplicação.
aplicação.
Figura 11.5 -
Figura 11.5 - Distribuição das correntes de Foucault em um corpo sob diferentesDistribuição das correntes de Foucault em um corpo sob diferentes freqüências.
freqüências.
Assim, para processos que requeiram aquecimento completo devem ser utilizadas Assim, para processos que requeiram aquecimento completo devem ser utilizadas freqüência mais baixas e para processos que requeiram aquecimento da superfície devem freqüência mais baixas e para processos que requeiram aquecimento da superfície devem ser utilizadas freqüências mais altas.
ser utilizadas freqüências mais altas.
11.3.3 - Equipamentos de Indução 11.3.3 - Equipamentos de Indução
Um equipamento de aquecimento por indução consiste basicamente de uma fonte de Um equipamento de aquecimento por indução consiste basicamente de uma fonte de potência,
potência, de de uma uma estação estação de de trabalho, trabalho, de de uma uma bobina, bobina, controles controles e e suportes suportes para para peças.peças. Adicionalmente poderemos ter equipamentos para resfriamento de peças.
Adicionalmente poderemos ter equipamentos para resfriamento de peças.
A fonte de potência é o componente mais importante de um sistema de aquecimento A fonte de potência é o componente mais importante de um sistema de aquecimento por indução. Sua função é a de admitir a energia da rede que chega em 60 ciclos e entregar por indução. Sua função é a de admitir a energia da rede que chega em 60 ciclos e entregar a energia elétrica à bobina na tensão e na freqüência adequadas. Estes equipamentos são a energia elétrica à bobina na tensão e na freqüência adequadas. Estes equipamentos são fabricados em três faixas básicas de freqüências: baixa freqüência ( 60 ciclos), média fabricados em três faixas básicas de freqüências: baixa freqüência ( 60 ciclos), média
freqüência (mais de 10 kKHz). Atualmente o tipo de equipamento mais utilizado para freqüência (mais de 10 kKHz). Atualmente o tipo de equipamento mais utilizado para todas as faixas de freqüência nos equipamentos comerciais é aquele baseado em todas as faixas de freqüência nos equipamentos comerciais é aquele baseado em conversores a estado sólido. Estes utilizam SCRs e tem como características a alta conversores a estado sólido. Estes utilizam SCRs e tem como características a alta eficiência, custo inicial baixo, baixa manutenção e uma grande variedade de potências e eficiência, custo inicial baixo, baixa manutenção e uma grande variedade de potências e freqüências.
freqüências.
11.3.4 - Bobinas 11.3.4 - Bobinas
Na figura
Na figura 11.6 podemos ver 11.6 podemos ver vários tipos vários tipos de bobinas de bobinas utilizadas no utilizadas no aquecimento por aquecimento por indução. Estas bobinas são geralmente confeccionadas em tubos de cobre pelos quais passa indução. Estas bobinas são geralmente confeccionadas em tubos de cobre pelos quais passa água de refrigeração pois se temos o aquecimento das peças também teremos o água de refrigeração pois se temos o aquecimento das peças também teremos o aquecimento da bobina. A forma de uma bobina depende da forma da peça e
aquecimento da bobina. A forma de uma bobina depende da forma da peça e da área que seda área que se quer aquecer. Para que haja uma boa transferência de energia é necessário que a bobina quer aquecer. Para que haja uma boa transferência de energia é necessário que a bobina fique o mais próximo possível da peça. Quanto maior for a distância menor será a fique o mais próximo possível da peça. Quanto maior for a distância menor será a eficiência do sistema. Um adequado projeto da bobina permite eficiência da ordem de eficiência do sistema. Um adequado projeto da bobina permite eficiência da ordem de 95%.
95%.
Figura 11.6 -
Figura 11.6 - Vários tipos de Vários tipos de bobinas projetadas para aquecimento de peçasbobinas projetadas para aquecimento de peças (10)(10)..
11.3.5 - Aplicação do
11.3.5 - Aplicação do Aquecimento por Indução nos Tratamentos TérmicosAquecimento por Indução nos Tratamentos Térmicos
Como já foi dito, o aquecimento por indução encontra inúmeras aplicações em todos Como já foi dito, o aquecimento por indução encontra inúmeras aplicações em todos os campos do trabalho com metais. No caso específico dos tratamentos térmicos as os campos do trabalho com metais. No caso específico dos tratamentos térmicos as aplicações podem ser divididas em tratamentos de endurecimento superficial, onde temos aplicações podem ser divididas em tratamentos de endurecimento superficial, onde temos como exemplos a têmpera superficial de virabrequins, eixos de cames, eixos de como exemplos a têmpera superficial de virabrequins, eixos de cames, eixos de transmissão, juntas universais, engrenagens, sedes de válvulas e trilhos, e tratamentos de transmissão, juntas universais, engrenagens, sedes de válvulas e trilhos, e tratamentos de têmpera total, onde temos como exemplos têmpera de tubos, peças estruturais, molas e têmpera total, onde temos como exemplos têmpera de tubos, peças estruturais, molas e correntes.
Para um melhor entendimento destas aplicações vamos descrever a aplicação em Para um melhor entendimento destas aplicações vamos descrever a aplicação em trilhos. A têmpera superficial de trilhos é uma das mais recentes aplicações deste tipo de trilhos. A têmpera superficial de trilhos é uma das mais recentes aplicações deste tipo de tratamento térmico. As cabeças ou boletos dos tr
tratamento térmico. As cabeças ou boletos dos trilhos se desgastam rapidamente nas seçõesilhos se desgastam rapidamente nas seções curvas onde existe o tráfego de carros de alta tonelagem. A ação abrasiva das rodas curvas onde existe o tráfego de carros de alta tonelagem. A ação abrasiva das rodas combinada com altas tensões pode resultar em uma vida útil muito curta do trilho. Com a combinada com altas tensões pode resultar em uma vida útil muito curta do trilho. Com a utilização de carros cada vez mais pesados e aumento da velocidade este tipo de problema utilização de carros cada vez mais pesados e aumento da velocidade este tipo de problema vem se tornando cada vez mais
vem se tornando cada vez mais severo.severo.
Os trilhos convencionais são fabricados com aço SAE 1080 por laminação à quente Os trilhos convencionais são fabricados com aço SAE 1080 por laminação à quente usando-se uma temperatura inicial de 1290
usando-se uma temperatura inicial de 1290ooC. Seguindo-se à laminação eles são resfriadosC. Seguindo-se à laminação eles são resfriados em condições controladas, obtendo-se com isto um
em condições controladas, obtendo-se com isto um produto acabado com apenas moderadaproduto acabado com apenas moderada dureza em torno de 250 HB. No processo de indução apenas o boleto é endurecido já que é dureza em torno de 250 HB. No processo de indução apenas o boleto é endurecido já que é nesta região que ocorre a falha devido ao desgaste e à deformação durante o serviço. Uma nesta região que ocorre a falha devido ao desgaste e à deformação durante o serviço. Uma camada relativamente espessa cuja dureza decresce com a espessura, como mostrado na camada relativamente espessa cuja dureza decresce com a espessura, como mostrado na figura 11.7, pode ser obtida utilizando-se uma fonte de potência de baixa freqüência, na figura 11.7, pode ser obtida utilizando-se uma fonte de potência de baixa freqüência, na ordem de 1000 Hz.
ordem de 1000 Hz.
Figura 11.7 -
Figura 11.7 - Perfil de dureza Brinell em um boleto Perfil de dureza Brinell em um boleto de trilho temperado por induçãode trilho temperado por indução(10)(10)..