SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE TRATAMENTO TÉRMICO POR INDUÇÃO

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1 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE José Carlos Zerbini Synergetica Sistemas e Processos Industriais zerbini@synergeticasp.com.br Austenitizing Quenching Tempering Cooling

2 José Carlos Zerbini Gerente operacional da Synergetica Sistemas e Processos Industriais Engenheiro elétrico com pós-graduação em eletrônica industrial. Atuação por 29 anos na empresa Inductotherm Group Brasil Ltda (Elphiac Inductoheat Inductotherm) nas áreas de tratamento térmico por indução, forjaria e fusão de metais. Desenvolvimento de processos de tratamento térmico e aquecimento para conformação à quente. Especialização em aplicação de conversores de frequência para aquecimento indutivo. Fevereiro 2015

3 Produtos e Serviços: Produtos: ELTA 5.5, ELTA 6.0 e 2DELTA (ELectroThermal Analysis) Software de dimensionamento e simulação de processos de aquecimento indutivo para a indústria e instituições de ensino (laboratório virtual) nas áreas de: - Tratamento Térmico por indução; - Aquecimento por indução para conformação à quente; Serviços: - Consultoria e treinamentos em engenharia elétrica de potência - Implantação de Sistema de Gestão da Energia ISO Treinamento em processos de aquecimento por indução - Otimização de processos indutivos

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5 Ao término desta apresentação você terá os conhecimentos básicos do processo de tratamento térmico por indução utilizando um meio refrigerante à base de água. A CONSTRUÇÃO DO CONHECIMENTO SIMULAÇÃO DO PROCESSO Aço carbono e aços ligas Diagramas TTT e CCT Temperabilidade dos aços Aplicação em engrenagens automotivas História e aplicação Equações de Maxwell Elementos de circuitos elétricos Circuito oscilante RLC Aquecimento por indução Curvas dos materiais AQUECIMENTO - RESFRIAMENTO Meios refrigerantes ELTA 5.5, ELTA 6.0 e 2DELTA Electro Thermal Analysis Características técnicas Onde utilizar SELEÇÃO PROCESSO CURVA DE AQUECIMENTO CURVA DE RESFRIAMENTO Simulação com o ELTA 6.0 RELATÓRIO

6 AÇO: definição AÇOS CARBONO: AÇOS LIGAS: Adição de Ni, Cr, Mn, W, Mo, V, Si, Co, Al AÇO: Importância estratégica Aço é uma liga formada por ferro ( Fe) e até aproximadamente 2,11% de porcentagem em peso de carbono (C). São aços ao carbono, ou com baixo teor de liga, aqueles de composição química definida em faixas amplas. São aços ligados ou de alto carbono, os de composição química definida em estreitas faixas para todos os elementos e especificações rígidas. A capacidade de produção e utilização do aço é um importante indicador do desenvolvimento de um país ou região.

7 Os maiores produtores de aço no mundo em milhões de toneladas: gráfico produção /habitante (2014) kg/hab

8 O Diagrama de fase Fe-C é fundamental para o entendimento do tratamento térmico A descrição detalhada deste diagrama foge ao escopo desta palestra. Neste momento vamos prestar atenção nas fases que ocorrem durante o aquecimento na faixa de nosso interesse. O processo de aquecimento do no tratamento térmico (têmpera) tem por objetivo atingir a fase austenítica.

9 O Diagrama de fase Fe-C é fundamental para o entendimento do tratamento térmico

10 CONCEITO DE TEMPERABILIDADE: SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE O principal objetivo do tratamento térmico do aço é obter a dureza dentro das especificações de projeto. A martensita, é o constituinte de maior dureza em aços de baixa-liga, e depende da proporção de carbono em peso na composição do aço. Relação entre dureza, conteúdo de carbono e proporção de martensita O tratamento clássico consiste em se obter uma camada mínima com microestrutura martensítica através de um resfriamento adequado, ou seja maior dureza possível antes do revenimento.

11 DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO ( TTT & CCT ): Há dois tipos principais de diagramas utilizados em tratamento térmico dos aços para a definição do processo de modo a se obter as propriedades desejadas: Time Temperature Transformation (TTT), ou Isothermal Transformation Diagrams: Mede a taxa de transformação a temperatura constante, ou seja, uma amostra é austenitizada e então rapidamente resfriada e mantida em uma determinada temperatura enquanto a taxa de transformação é medida. Continuos Cooling Transformation ( CCT ) : Mede o nível de transformação como uma função do tempo para uma temperatura decrescente contínua, ou seja, uma amostra é austenitizada e então é resfriada a uma taxa predeterminada sendo medido o nível de transformação. Os diagramas CCT são normalmente mais apropriados em aplicações de engenharia para componentes que são resfriados ( ao ar, em forno, banhos, etc.) a partir de uma temperatura de processo pré-definida.

12 Time-Temperature Transformation (TTT) : Mede a taxa de transformação a temperatura constante, ou seja, uma amostra é austenitizada e então rapidamente resfriada e mantida em uma determinada temperatura enquanto a taxa de transformação é medida.

13 Time-Temperature Transformation (TTT) :

14 Time-Temperature Transformation (TTT) :

15 Continuos Cooling Transformation ( CCT ) : Mede o nível de transformação como uma função do tempo para uma temperatura decrescente e contínua, ou seja, uma amostra é austenitizada e então é resfriada a uma taxa predeterminada sendo medido o nível de transformação.

16 Continuos Cooling Transformation ( CCT ) :

17 Continuos Cooling Transformation ( CCT ) :

18 Revendo os conceitos de TEMPERABILIDADE e DUREZA : TEMPERABILIDADE: É uma propriedade do aço que descreve a profundidade que pode ser temperada durante o resfriamento. É uma propriedade do material que depende da composição química e do tamanho de grão mas é independente do meio e/ou taxa de resfriamento. A estrutura final obtida é uma função da TEMPERABILIDADE e do processo de resfriamento ( severidade). DUREZA: É uma medida de resistência à deformação plástica. Depende do conteúdo de carbono e da microestrutura. Assim o mesmo aço pode apresentar valores diferentes de dureza em função da sua microestrutura inicial, bem como em função da taxa de resfriamento utilizada.

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21 Tecnologia tratamento superficial por indução Os conceitos de aquecimento por indução apareceram no final do século XIX. Muitos nomes famosos merecem menção, tais como L. Foucault, Nicola Tesla, e outros. O aquecimento superficial por indução tem aproximadamente 75 anos e os seus maiores pioneiros foram: Dr. E.F. Northrup, USA e Prof. V.P. Vologdin, Russia. Desde o tratamento térmico do virabrequim em ( ) esta tecnologia evoluiu e continua a surpreender com os resultados apresentados.

22 By David Willians, 16 mar 2011 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE Mercedes-Benz Petrona pilotado por Michael Schumaker : horas projeto e horas fabricação

23 APLICAÇÃO EM ENGRENAGENS AUTOMOTIVAS: O termo aços de engenharia abrange uma ampla faixa de aços que são normalmente Tratados Termicamente para se obter níveis elevados de resistência de 750 Mpa e acima. Aplicações típicas incluem motores e transmissões automotivas, rolamentos, trilhos, ferramentas para maquinas e cabos metálicos. Apesar dos aços de engenharia incluirem carbono-manganês em sua composição ( alta porcentagem de Carbono ), a maioria contem de pequena a grande quantidades de outros elementos de liga tais como Cr, Ni, Mo, W, etc...

24 Quais a três propriedades mais importantes de um aço de engenharia para aplicação em um transmissão automotiva: ( ) Strength Força ( ) Toughness Tenacidade ( ) Corrosion Resistance Resistência à corrosão ( ) Magnetic properties Propriedades magnéticas ( ) Aesthetics Estetica ( ) Cost Custo ( ) Steel cleanliness Limpeza do aço ( ) Fatigue resistance Resistência à fatiga ( ) Formability Formabilidade ( ) Machinability Usinabilidade ( ) Weldability Soldabilidade ( ) Electrical properties Propriedades elétricas ( ) Wear resistance Resistência ao desgaste ( ) Creep ( ) Recyclability Reciclabilidade ( ) Surface hardness Dureza superficial

25 Quais a três propriedades mais importantes de um aço de engenharia para aplicação em um transmissão automotiva: Fatigue resistance Correct, this is important as the gears are constantly experiencing varying loading cycles. The fatigue resistance can also be related to the surface hardness of the gear. Wear resistance Correct, wear resistance is extremely important in determining the overall life cycle of a gear and its performance. Wear resistance can be related to the surface hardness of the material hence surface hardness is another critical property. Surface hardness Correct, for a gear the surface hardness helps control the wear resistance of the material and hence its overall performance and lifetime.

26 Principios de aquecimento por indução:

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28 Princípios do aquecimento por indução: A chave para entender este meio de transferência de energia é investigar o que ocorre na região em torno do fluxo de uma corrente elétrica.

29 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE Princípios do aquecimento por indução:

30 Equações de Maxwell:

31 Corrente induzida também chamada de Eddy current: Em materiais condutores a permissividade elétrica ε é baixa e podemos considerar apenas a corrente de condução na equação de Maxwell. Esta aproximação é aplicável nos casos de de indução magnética e aquecimento por condução elétrica em materiais condutores. Pela lei de Ohm : Aplicando: Considerando um regime senoidal para os campos e o caso de um meio condutor semi infinito limitado pelo plano xy temos que H depende apenas da variável y e da última equação.

32 Corrente induzida também chamada de Eddy current: Fazendo : A equação : Fica: A seguinte solução é obtida: Fazendo : Assim, o campo magnético e outras variáveis eletromagnéticas decrescem exponencialmente no material.

33 Corrente induzida também chamada de Eddy current: é definida como profundidade de penetração Quando y é igual a profundidade de penetração a amplitude do campo magnético, e campo elétrico, e intensidade da corrente elétrica corresponde a 37% do valor na superfície. A profundidade de penetração depende da frequência e da condutividade e da permeabilidade magnética do meio material. Maior a frequência, menor a profundidade de penetração. Este fenômeno é chamado de efeito pelicular ou efeito Kelvin. f1 f1 > f2 f2

34 Estabelecido um campo em uma determinada frequência e tendo as características do material podemos calcular a profundidade de penetração da corrente

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37 Corrente induzida também chamada de Eddy current: é definida como profundidade de penetração Aço SAE 1045 a 800 Celsius

38 Seleção da frequência em função da camada de têmpera que se deseja. A frequência é o primeiro parâmetro a ser considerado em aquecimento por indução. Ela define a profundidade de aquecimento por indução, está relacionada à eficiência, ao tipo de tratamento, dimensões e geometrias da peça. A equação acima é valida para raio de curvatura da corrente muito maior que a profundidade da corrente.

39 A forma de onda senoidal apresenta um período de tempo T (s) e uma frequência característica de 1/T (Hz).

40 Elemento físico : RESISTOR I (J = Ws)

41 Elemento físico : INDUTOR Energia = ( J )

42 Elemento físico : CAPACITOR Energia = ( J )

43 O circuito RLC A frequência do circuito oscilante RLC é definida pelos valores da indutância L (Henry) e da capacitância C (Farad). Energia de campo magnético Energia ativa Energia de campo eletrostático

44 Fonte de energia V1 A finalidade do conversor é compensar as perdas e fornecer a energia necessária até que se atinja a temperatura desejada no processo de aquecimento Energia de campo magnético Energia ativa Energia de campo eletrostático

45 O resfriamento controlado a partir da temperatura de austenitização para uma temperatura pré-definida visa obter a microestrutura e as características físicas desejadas.

46 O resfriamento controlado a partir da temperatura de austenitização para uma temperatura pré-definida visa obter a microestrutura e as características físicas desejadas.

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49 SIMULAÇÃO DE PROCESSO DE TRATAMENTO TÉRMICO Exemplo prático N.o 1: Exemplo prático N.o 2: