USO DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA NO TRATAMENTO TÉRMICO DE FERRAMENTAS DE PENETRAÇÃO DE SOLOS: AUMENTO DO DESEMPENHO OPERACIONAL E DA DE DURABILIDADE
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- Rafaela Dinis Nobre
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1 USO DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA NO TRATAMENTO TÉRMICO DE FERRAMENTAS DE PENETRAÇÃO DE SOLOS: AUMENTO DO DESEMPENHO OPERACIONAL E DA DE DURABILIDADE Ramos, Daniela Magalhães 1 Ferreira, Carlos Roberto Introdução O emprego dos materiais metálicos nos vários setores da engenharia e da indústria é baseado principalmente nas suas propriedades mecânicas, essas, características e propriedades, dependem grandemente das estruturas cristalinas e da estrutura granular dos materiais, que estão intimamente relacionados com sua composição química e condições de fabricação [1]. Com freqüência ocorre à necessidade de se fabricar peças ou elementos de máquinas que obrigatoriamente devem apresentar uma boa resistência à abrasão e ao desgaste, associado a uma boa resistência ao choque. Isso é muito comum na indústria mecânica e, nesse caso, é preciso que sejam conferidas certas propriedades particulares às camadas externas desses corpos, através de tratamentos térmicos localizados que tenham por objetivo provocar o endurecimento destas. Esse procedimento melhora consideravelmente a resistência à fadiga e à abrasão. (Ferreira, 2004 FERREIRA, Carlos Roberto et. al.. Tratamento Térmico por Indução Eletromagnética em Tubos deaço SAE 1045 para Produção de Hastes de Sondagem Geológica. REM - Revista Escola de Minas, Ouro Preto, v. 57, p , Março de 2004.) Para conferir certas propriedades particulares às camadas externas desses corpos metálicos, os tratamentos térmicos são aplicados com o objetivo de se modificar as suas principais propriedades físicas e mecânicas. Os aços são aqueles, materiais, que melhor respondem a tais processos. Assim, dependendo com agregação de certas propriedades, as quais são estendidas, normalmente, a distâncias importantes na massa do corpo considerado. [2,3,4] Antes de realizar a operação de tratamento térmico, o especialista em tratamento térmico deve levar em consideração dois fatores importantes: Possíveis objetivos do tratamento térmico: aumento de dureza e da resistência mecânica, diminuição da dureza a aumento da ductilidade, melhora da capacidade de corte, aumento da resistência ao desgaste, aumento da resistência à corrosão; Modificações estruturais necessárias para atingir os objetivos desejados. Além disso, outros fatores devem ser analisados como: equipamentos, ferramentas a dispositivos disponíveis; forma e dimensões das peças a serem tratadas; condições de aquecimento e resfriamento; previsão de existência de tensões internas de natureza térmica ou estrutural ou de ambos os tipos; necessidade de usinagem ou não, após o tratamento. 1 Instituto Federal de Minas Gerais campus Ouro Preto, CODAMET, danii.ramos@hotmail.com 2 Instituto Federal de Minas Gerais - campus Ouro Preto, CODAMET carlos.ferreira@ifmg.edu.br 150
2 Os conhecimentos desses fatores propiciam a adoção de artifícios práticos, tais como: modificação da forma das peças; alteração da composição da liga; escolha de outro meio de resfriamento. [1] O aquecimento por indução eletromagnética consiste em induzir uma corrente elétrica na peça a ser tratada através de um campo eletromagnético, esta corrente induzida aumenta a temperatura da peça devido ao efeito Joule e à histerese. [5] A escolha de tal forma de aquecimento é devida, principalmente, ao tempo reduzido de duração das etapas de aquecimento, pois elas são executadas em alguns segundos, enquanto os processos convencionais de aquecimento são executados em dezenas de minutos. O aquecimento por indução é, em princípio, de alta eficiência, alta produtividade, permite aquecimento somente em regiões selecionadas e exige menor espaço físico para instalação de equipamentos, gerando benefícios ergonômicos e ambientais. [6] Para o tratamento térmico por indução eletromagnética, o aquecimento proporciona altas taxas de aquecimento o que afeta a cinética da formação da austenita, deslocando esta transformação para temperaturas mais altas. [7] Porém, é necessário um projeto bem elaborado do indutor de corrente, pois um indutor mal projetado pode resultar em um perfil de temperatura não uniforme através da espessura da peça metálica, devido a efeitos eletromagnéticos, que poderão. Estes efeitos podem causar problemas nas propriedades mecânicas obtidas, em relação às esperadas após tratamento. O uso da indução eletromagnética é extremamente adequado para o tratamento térmico das hastes usadas para perfuração de rocha, pois se trata de um equipamento que tem a necessidade de maior dureza, principalmente nas extremidades, porções nas quais são usinadas as roscas de engate. A necessidade de alta dureza nessas porções advém da menor espessura, conjuntamente com os esforços de rosqueamentos repetidos, associados à abrasão, tração e flexão durante a perfuração, já que esta tende a assumir uma trajetória helicoidal. [8, 9] Também, para a produção de brocas (coroas) usadas na perfuração de rocha, o uso da indução eletromagnética, permitiu reduzir o tempo total, para conformação, de 70 minutos, em fornos convencionais, para 3 a 5 minutos em fornos de indução eletromagnética. [10] Este trabalho tem por objetivo fornecer base técnico-científica que permita correlacionar, para trabalhos futuros, os parâmetros dos tratamentos térmicos, de têmpera e de revenimento, por indução eletromagnética à microestrutura e propriedades finais dos aços, tubulares, SAE 4130 e SAE 1045 largamente empregados na fabricação de ferramentas usadas em atividades minerais. 2 - Materiais e Métodos Tradicionalmente, a austenitização têmpera para dos aços SAE 1045 é realizada a temperaturas por volta de 850 C e para os aços SAE 4130 por volta de 910 C sendo, ambos aços, revenidos, a temperaturas próximas a 500 C, com tempos de encharque em torno de 1h (uma hora). Porém, no 151
3 tratamento térmico por indução eletromagnética, os tempos de aquecimento são da ordem de poucos segundos. Desta forma, fez-se necessário determinar quais condições de tempo e temperatura produziriam regiões tratadas de acordo com as especificações estabelecidas para este estudo. [4] Foi utilizado um equipamento de indução eletromagnética, apresentado nas figuraa 1 (a) e 1 (b), fabricado pela empresa Inductoheat, que tem como principais características, uma potência máxima de operação de 150kW, freqüência fixa de 10kHz, operação nos modos contínuo e pulsado, controle do tratamento por definição das potências e tempos de operação e monitoramento da temperatura por pirômetro óptico. [4] (a) (b) Figura 1. (a) vista geral do equipamento, (b) vista da câmara de aquecimento e resfriamento do equipamento. [4] As faixas potência de indução utilizadas para o aquecimento foram; 98 kw para austenitização do aço SAE 1045 e 90 a 97,5 kw para austenitizar o aço SAE Para o revenimento, em ambos os aços se aplicou a potência de 150 kw. [4,9] No aquecimento por indução eletromagnética, com velocidade de 250 C/s, os aços SAE 1045 e SAE 4130 foram austenitizados, respectivamente, entre 880 e 920 C durante 12 segundos e entre 950 e 1035 C durante 15 segundos. Os tempos de revenimento foram, respectivamente, 18 s e 22s, para os aços SAE 1045 e SAE [4,9] Tais parâmetros foram aplicados a tubos sem costura, com 3.075,00 mm de comprimento, 70mm de diâmetro externo e 5 mm de espessura, do aço SAE 1045 de composição química média 0,450 % C, 0,850 % Mn, 0,010 % P, 0,005 % S, 0,240 % SI, 0,010 % Cr, 0,020 % Mo, 0,020 % Al e do SAE 4130 de composição média 0,29 % C, 0,52 % Mn, 0,013 % P, 0,003 % S, 0,19 % Si, 0,01 % Ni, 0,97 % Cr; 0,16 % Mo, 0,008 % Cu. [4,9] A têmpera das amostras foi feita através de ducha de solução polimérica projetada para promover maior remoção de calor e a peça foi mantida em rotação durante todo o processo para evitar deformações. Após o tratamento térmico, foram cortadas amostras com aproximadamente 10 mm de largura ao longo do comprimento dos tubos tratados termicamente. Após preparação das superfícies foram obtidos os perfis de dureza Rockwell - HRc ao longo do comprimento das amostras tratadas. Através da análise dos valores de 152
4 dureza foram determinados os parâmetros mais adequados para o tratamento térmico. Estes parâmetros foram fixados para verificar a reprodutibilidade do tratamento térmico, o que foi feito com o tratamento de mais 3 amostras. [4,9] A figura 2 (a, b, c) mostram imagens o equipamento bem como as diversas às etapas da operação de tratamento térmico das hastes. (a) (b) (c ) Figura 2. Fotografias das etapas de operação de tratamento térmico de austenitização e têmpera, por indução eletromagnética de tubos de aço SAE 1045, para fabricação de hastes de perfuração para sondagem geológica. De (a) a (c), em seqüência de tratamento, do início do aquecimento, até a têmpera. [4] Os tubos, trefilados, em aço SAE 1045 utilizados por FERREIRA, et al em trabalhos anteriores, apresentaram no seu estado de entrega, o valor médio de 86,2 HRB (+/- 10 HRC) em dureza e limite de resistência a tração da ordem de 640 MPA. Após as etapas de austenitização, têmpera e revenimento. A análise dos valores de dureza (HRC) permitiu escolher a condição de tratamento térmico por indução eletromagnética que produziu tubos com perfil de dureza sem grandes flutuações de valor, decaindo, como mostrado na figura 3, suavemente de um valor máximo próximo a 45HRC na extremidade, para um valor mínimo próximo a 35HRC no final da região tratada. [4] 153
5 Figura 3. Perfil de dureza Rockwell (HRc) do aço SAE 1045 tratado termicamente segundo parâmetros selecionados Os tubos de aço, trefilado, SAE 4130 estudados por MACEDO (2007) [9] apresentaram no estado de entrega uma dureza de aproximadamente 25 HRc e um limite de resistência da ordem de 816MPa. Após tratamento térmico por indução eletromagnética e execução dos ensaios de dureza em corpos de prova, a análise dos valores permitiu a escolha de um perfil de dureza sem grandes flutuações de valores, decaindo, como mostrado na figura 4, de um valor máximo próximo a 40HRC na extremidade, para um valor mínimo próximo a 35 HRC no final da região tratada, com forma próxima à observada nos tubos produzidos comercialmente. [9] Figura 4. Gráfico mostrando o perfil de dureza Rockwell - HRC ao longo da região tratada das amostras tubulares e seus respectivos parâmetros de tratamento por indução, sendo: P1 e t1 a potência e o tempo de indução para a austenitizaçã; T1 a temperatura de têmpera; P2 e t2 a potência e o tempo de indução para o revenimento; T2 a temperatura de revenimento. [9] 3 - Resultados esperados Os materiais, tubulares, tratados por indução eletromagnética nos estudos realizados por FERREIRA [4] e MACEDO [9] apresentaram desempenho satisfatório em testes de bancada e também, em campo, como hastes de prospecção para sondagem geológica, mostradas na figura 5 (a) e (b). Também, em ambos os estudos, pode-se obter a reprodutibilidade do tratamento térmico, com os parâmetros selecionados, em outras amostras. 154
6 (a) (b) Figura 5. (a, b) Hastes tratadas e rosqueadas para uso em sondagem geológica. [4] Ao final do trabalho, proposto, espera-se conhecer, para as hastes de perfuração desenvolvidas com tecnologia nacional, os valores das diversas propriedades mecânicas, que serão avaliadas sob de ensaios de tração, segundo a norma ASTM E 8M 96 - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, permitindo assim adquirir conhecimentos, para esclarecer sob o ponto de vista de resistência mecânica as possíveis causas de falhas, das hastes, durante operações de perfuração para sondagem geológica. 4 Bibliografia 1 - CHIAVERINI, Vicente. Tratamento Térmico das Ligas Metálicas. São Paulo-SP, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, RUDNEV, V. I.; LOVELESS, D. L.; COOK, R. L. e BLACK, M. R. Induction Heat Treatment: Basics Principles, Computation, Coil Construction, and Design Considerations, In: TOTTEN, G. E. e HOWES, M. A. H. Steel Heat Treatment Handbook, M. Dekker, NY, p , GRUM, JANEZ. A Review of the Influence of Grinding Conditions on Resulting Residual Stresses after Induction Surface Hardening and Grinding, Journal of Materials Processing Technology, v.144, p , FERREIRA, C.R. Tratamento térmico por indução eletromagnética de hastes de aço SAE 1045 para sondagem geológica. REDEMAT UFOP, p (Dissertação de Mestrado). 5 - MARTINS, N. Introdução à teoria da eletricidade e do magnetismo. 2ª edição. São Paulo - SP. Editora Edgard Blücher Ltda, p , ASM Metals Hand Book, v LOVELESS, D. L.; COOK, R. L.; RUDNEV, V. I. Considering Nature and Parameters of Power Supplies for Efficient Induction Heat Treating ; Industrial Heating, June Rudnev,V. Can Fe-Fe3C phase transformation diagram be directly applied in induction hardeningof steel. Professor Induction Series, Heat Treating 8 - FERREIRA, Carlos Roberto. Tratamento Térmico por Indução Eletromagnética em Tubos de Aço SAE 1045 para Produção de Hastes de Sondagem Geológica. REM - Revista Escola de Minas, Ouro Preto, v. 57, 155
7 p , Março de MACEDO, Marciano Quites. Efeitos dos Parâmetros de Austenitização sobre a Microestrutura e as Propriedades do Aço SAE4130 Submetido a Tratamentos Térmicos por Indução Eletromagnética. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Rede Temática em Engenharia de Materiais. Universidade Federal de Ouro Preto. Ouro Preto, FERREIRA, C.R., Desenvolvimento da produção de coroas por indução eletromagnética para sondagem geológica. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) - Rede Temática em Engenharia de Materiais. Universidade Federal de Ouro Preto. Ouro Preto, abril de
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