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Temas de Tratamento Térmico

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CARACTERIZAÇÃO DOS PROCESSOS DE TRATAMENTO TÉRMICO

POR INDUÇÃO ATRAVÉS DE SOFTWARE ELETROTÉRMICO

Eng. MSc. Ana Paola Villalva Braga

Laboratório de Processos Metalúrgicos – Instituto de Pesquisas Tecnológicas de SP

www.ipt.br anapaola@ipt.com.br

Eng. José Carlos Zerbini

Synergetica Sistemas e Processos

www.synergeticasp.com.br zerbini@synergeticasp.com.br

RESUMO – Este trabalho tem como objetivo apresentar a caracterização de um processo de

tratamento térmico superficial por indução através de uso de software, com validação experimental

e comparação com dados da literatura. O processo de tratamento térmico estudado foi a têmpera

superficial de aço carbono. A simulação no software ELTA (ELectroThermal Analysis) teve como

dados de entrada a geometria e as propriedades do material do corpo de prova (condutividade

térmica, permeabilidade magnética etc.) e as características de operação da fonte de potência de

indução (potência, frequência, geometria do indutor etc.).

Os resultados obtidos mostram o perfil térmico durante todo o ciclo térmico, tornando possível

analisar as curvas de resfriamento sobre o diagrama CCT (Continuous Cooling Transformation). A

análise integrada da curva CCT com a curva de resfriamento projetada permite a verificação da

microestrutura esperada. A validação experimental foi realizada na máquina de ensaios de

aquecimento indutivo em alta frequência do IPT. Para comparação do perfil térmico real e

simulado, foi aquecido um corpo de prova instrumentado com termopares. A microestrutura final e

o perfil de microdurezas foram analisadas e comparadas com os resultados previstos e validaram

os resultados previstos em simulação.

Palavras-chaves: têmpera por indução, indutor de têmpera, ducha de têmpera, curva CCT,

camada efetiva, validação de processo têmpera.

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1. INTRODUÇÃO

A tecnologia de tratamento térmico superficial por indução tem aproximadamente 80

anos e os seus pioneiros foram Dr. E.F. Northrup, USA (1866-1940) e o Prof. V.P.

Vologdin, Rússia (1881-1953). Desde a têmpera por indução do virabrequim, no início de

1930 pela TOCCO, essa tecnologia evoluiu consideravelmente e continua a inovar com os

resultados apresentados [1].

A adequação das especificações dos aços de engenharia ao seu uso final através

do tratamento térmico é realizada normalmente em três fases [2,7,10]. Primeiro a região

de interesse é elevada até a temperatura de austenitização e posteriormente resfriada de

forma controlada para que se obtenha a dureza e microestrutura em função do tipo de aço

selecionado no projeto. A terceira fase, facultativa, consiste no alívio das tensões internas

geradas nas fases 1 e 2 através da elevação e manutenção em temperatura controlada

por um período de tempo pré-definido (revenimento clássico).

Processos de aquecimento indutivo e projetos dos respectivos indutores envolvem

fenômenos mais complexos que outras técnicas de aquecimento (p.e. em mufla), exigindo

mais conhecimentos que as técnicas tradicionais [3,9].

Processos eletromagnéticos e térmicos são mutuamente relacionados (acoplados)

e assim devem ser simulados. Atualmente, vários programas, criados com base nas

equações de Maxwell e Fourier podem ser utilizados para simulação de aquecimento por

indução.

Entre os programas comerciais que estão em uso podem-se citar: Flux 2D e 3D, da

Cedrat; Maxwell, da Ansoft; Ansys Multiphysiscs TermNet e Magnet, da Infolytica;

Sysweld, do ESI Group; Opera e Electra, da Vector Field; Inducto, da Integrated

Engineering; Quick field, da TOR; produtos da Cosmos e programas de outras empresas.

Esses programas têm um custo elevado e requerem conhecimento e treinamento especial

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para o seu uso de forma efetiva. Neste trabalho foram utilizados os programas ELTA e

2DELTA da NSGSoft.

A abordagem do ELTA e 2DELTA (Two Dimensional ELTA para peças cilindricas) é

a de serem programas de simulação com módulos auto explicativos pré-instalados.

Os principais problemas a serem investigados em um aquecimento por indução

para tratamento térmico podem ser divididos nas fases: tecnológica, técnica e econômica.

Problemas tecnológicos são produtividade, máxima temperatura, minimização do

crescimento de grão, etc. Problemas técnicos são parâmetros da fonte de potência (

frequência, potência, tensão, etc.), parâmetros do indutor de aquecimento e ducha de

resfriamento. Problemas ecônomicos são consumo de energia, i.e. eficiência elétrica e

térmica do indutor, vazão da água de resfriamento do indutor, periodo de pay-back do

investimento, etc. [3,4,5,6]

A curva de aquecimento e o projeto do indutor são dois problemas diretamente

acoplados com a solução dos problemas tecnológico e econômico. A solução dos

problemas técnicos ocorre através de simulação em software eletrotérmico, onde primeiro

determina-se a frequência ótima e a potência necessária para o processo e então passa-

se à fase de projeto do indutor de aquecimento.

A seleção da frequência da fonte de potência é o estágio mais importante no projeto

de engenharia. A qualidade do aquecimento depende diretamente desta escolha e pode

ser otimizado com a realização de várias interações eletrotérmicas.

Nas aplicações de têmpera total, ou então na aplicação de forja, é fundamental que

na otimização do processo a eficiência elétrica esteja próximo do máximo valor teórico e

que o tempo de aquecimento seja o mínimo possível [3].

As simulações eletrotérmicas com o ELTA 6.0 e 2DELTA permitem o modelamento

do aquecimento, do resfriamento e a inclusão da curva CCT do aço para a comparação

posterior com os resultados experimentais.

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2. METODOLOGIA

2.1 Investigação de um sistema cilíndrico 1-D [4,5,6]

As equações unidimensionais descrevendo o campo eletromagnético e de

temperatura em corpos cilíndricos são:

onde R – raio, – resistividade elétrica, Ḣ – intensidade campo magnético, – frequência

angular, – permeabilidade magnética, vC – calor específico, T – temperatura, t –

tempo, – condutividade térmica, w – densidade volumétrica de potência.

O comprimento do sistema é definido usando um procedimento analítico chamado

Total Flux method (FIGURA 1). Este método é baseado na substituição do circuito

magnético por um sistema “indutor / peça-obra”. O fluxo magnético i criado pela corrente

na espira do indutor I1W1 pode ser calculado diretamente do circuito magnético (parte

direita da FIGURA 1a). Entretanto um caminho mais conveniente é a conversão do circuito

magnético por um esquema elétrico equivalente com impedância R e X (FIGURA 1b).

(a) (b)

FIGURA 1 – Definição do comprimento do sistema pelo Total Flux method. (a) Fluxo magnético e substituição por circuito indutor/peça-obra; (b) Substituição por circuito elétrico equivalente.

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Conhecendo-se a impedância e a tensão Ui, a corrente Ii e demais valores integrais

do indutor podem ser obtidos.

A FIGURA 2 mostra a curva da profundidade de penetração efetiva da corrente

(Nx) a partir da superfície da peça. Na condiçao em que N=1x a potência total absorvida

pela peça é de 86% da potência total aplicada. A profundidade () varia dinâmicamente

durante o aquecimento [3].

FIGURA 2 – Corrente I (%) e Potência P (%) como função de Nx.

O valor limite de eficiência elétrica (lim) para os parâmetros geométricos na seção

transversal (diâmetros ou perímetros do indutor e peça) e para os parâmetros elétricos

(resistividade do material do indutor, variáveis durante o processo de aquecimento,

resistividade e permeabilidade da peça considerando um sistema de indução infinitamente

longo) pode ser calculado usando a equação (2).

onde R1 – resistência mínima da bobina de indução; R2 – resistência real da peça; W –

número da espira.

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Na simulação, ao observar que a eficiência real durante o tempo de aquecimento no

projeto do indutor é baixa comparada com a eficiência ideal, podem ser adotadas as

seguintes estratégias nas interações:

a) Aumentar o fator de espaçamento g (para indutores multi-espiras, o ideal é g=1);

b) Aumentar a parede d do cobre do indutor de aquecimento acima da profundidade de

referência (ideal que seja d=1,6x);

c) Aumentar o comprimento do sistema indutor ou utilizar concentrador de campo.

2.2 Investigação de um sistema com seção retangular 2-D [4,5,6]

Na simulação para peça de seção retangular com coordenadas x e y, são usadas

equações diferencias não lineares bidimensionais para campo magnético H e campo de

temperatura T (Figura 3)

Este recurso bidimensional em campos magnéticos longitudinais permite a

substituição do método de equivalência da seção retangular por sua equivalente circular

em massa, utilizado em cálculo unidimensional. Esse recurso de cálculo fornece

resultados mais precisos e pode-se obter além da temperatura superficial também sua

distribuição na seção transversal, incluindo os cantos da peça. A abordagem de simulação

é semelhante aos sistemas cilíndricos.

2.3 Validação da simulação para um corpo de prova experimental

Para validação das condições simuladas de aquecimento e resfriamento via

software, foi realizado um experimento de austenitização e têmpera em um corpo de prova

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cilíndrico. As dimensões do corpo de prova são indicadas na FIGURA 3. Ele possui

geometria cilíndrica vazada, com diâmetro externo de 30 mm e diâmetro interno do furo de

8,5 mm, ou seja, com espessura de parede de 10,75 mm. O furo interno serve para

refrigeração por fluxo de água industrial com vazão de 6,8 l/min. Os corpos de prova foram

usinados a partir de uma barra comercial de aço AISI 1045.

FIGURA 3 – Desenho do corpo de prova cilíndrico utilizado na validação experimental da simulação.

O aquecimento foi realizado com indutor de cobre com diâmetro interno de 42 mm,

com 2 espiras (N=2) e comprimento (L) de 36,5 mm (FIGURA 4a). Para levantamento do

perfil de temperaturas durante as etapas de aquecimento e resfriamento (FIGURA 4b), foi

utilizado outro corpo de prova com furos longitudinais a distâncias distintas a partir da

superfície (1,25 mm, 2,55 mm e 4,65 mm), que possibilitaram a instalação de termopares

até a região central do corpo de prova, onde se mede a temperatura externa por meio de

um pirômetro óptico que tem seus limites entre 100°C e 700°C.

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(a) (b)

FIGURA 4 – Montagem experimental e instrumentação do corpo de prova. (a) Corpo de prova com termopares dentro da bobina; (b) Medidas de temperatura pelo pirômetro1 e termopares durante aquecimento e resfriamento.

Foram utilizados na simulação as informações do banco de dados do software

ELTA para o material aço 1045 recozido e as características térmicas para a água como

meio refrigerante na velocidade de 2 m/s. A curva CCT (FIGURA 5) do aço DIN Ck45 [8],

foi digitalizada e inserida no bando de dados do software.

FIGURA 5 – Diagrama CCT aço DIN Ck 45, austenitizado a 850°C. 1 O pirômetro óptico registra apenas temperaturas entre 100°C e 700°C.

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3. RESULTADOS

Na sequência, são mostrados os gráficos obtidos durante a simulação na

frequência de operação de 219 kHz para o circuito oscilante. A FIGURA 6, FIGURA 7,

FIGURA 8 e FIGURA 9 mostram, respectivamente, os resultados de cálculo para potência

aplicada, profundidade de penetração da corrente, de temperatura durante o ciclo térmico

simulado e os mapas de temperatura

FIGURA 6 – Gráfico da potência simulada durante o aquecimento.

FIGURA 7 – Gráfico da profundidade de penetração de corrente no aquecimento.

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FIGURA 8 – Gráfico da temperatura nas posições referentes aos pontos de medição dos termopares e pirômetro calculada pela simulação durante as etapas de aquecimento, equalização e resfriamento.

(a)

(b)

FIGURA 9 – Mapas de temperatura: Temperatura x Tempo x Raio. (a) 2D; (b) 3D.

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. A estratégia adotada foi a de realizar o aquecimento com um único set point de

tensão no gerador e ajustar o tempo no software para atingir a temperatura de

aproximadamente 900°C. O tempo de resfriamento ao ar calmo foi ajustado no software

para permitir a equalização da temperatura em aproximadamente 850 °C antes de iniciar o

resfriamento com a passagem de água na parte interna do corpo de prova.

O resfriamento simulado consistiu na remoção de calor a partir da superfície interna

por água passante a 25°C com velocidade de 2 m/s,o que corresponde a uma vazão de

6,8 litros por minuto. A partir da curva CCT do material Ck45 inserido no banco de dados

do software, montou-se uma sobreposição das curvas de resfriamento (FIGURA 10) em

posições correspondentes a diferentes profundidades em relação à superfície.

FIGURA 10 – Sobreposição das curvas de temperatura durante o resfriamento calculadas em diferentes profundidades sobre a curva CCT. Cada profundidade tem uma diferente taxa de resfriamento devido à distância da fonte de remoção de calor, que é o furo com fluxo de

Devido à distância em relação à fonte de remoção de calor (o furo com fluxo de

água), as regiões têm diferentes taxas de resfriamento, que geram microestruturas

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diferentes, como prevê a curva CCT. Segundo o que se vê na FIGURA 10, são esperadas

microestrutura martensítica (raio = 0,425 cm a 0,625 cm), martensítica e bainítica (até

0,825 cm) e perlítica e ferrítica (0,825 cm até 1,5 cm).

Para confirmar a microestrutura prevista, foram realizados um perfil de

microdurezas e uma sequência de micrografias ao longo da espessura, em regiões

correspondentes às indentações. A FIGURA 11 mostra o perfil de microdurezas Vickers

(HV) medido da face central do furo até a superfície externa.

FIGURA 11 – Perfil de microdurezas.

Nota-se uma região de alta dureza nos 2 mm internos, uma zona de transição e

uma região de baixa dureza próxima à superfície externa. Esse é um indicativo da

presença de pelo menos 2 tipos de microestruturas, com uma fase intermediária. Os

pontos do gráfico de dureza 2,5,7,11,21 e 37 correspondem a regiões que foram depois

analisadas em microscópio óptico. As micrografias são mostradas na FIGURA 12.

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FIGURA 12 – Micrografias realizadas nos pontos indicados no perfil de microdurezas da FIGURA 11.

4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Como previsto, foi detectada microestrutura martensítica nos pontos 2 e 7,

martensítica e bainítica no ponto 11 e ferrítica e perlítica nos pontos 11, 21 e 37, com

aumento da proporção perlita/ferrita ao passo que se aproxima da superfície externa

(FIGURA 12). Esses pontos correspondem às curvas sobrepostas à curva CCT da

FIGURA 10.

Isso comprova que a previsão da microestrutura realizada com base nos resultados

de simulação via software foi acertada, comprovando-se que o software teve acurácia para

o cálculo tanto do aquecimento, como do resfriamento, nas diversas profundidades do

material, mesmo em condições diferentes de resfriamento nas superfícies interna e

externa.

Deve-se ressaltar que a curva CCT utilizada neste trabalho foi obtida na literatura,

para um material de amplo conhecimento acadêmico e na indústria. Para materiais de

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maior complexidade, é necessário a obtenção da correta curva CCT para inserção no

banco de dados e assim possibilitar correta previsão sobre as fases produto do tratamento

térmico.

5. CONCLUSÃO

A caracterização através de software eletrotérmico permitiu a validação de um

processo de tratamento térmico por indução. A simulação do processo de tratamento

térmico via software pode acelerar a curva de aprendizado em novos projetos, reduzindo

os custos de desenvolvimento.

REFERÊNCIAS

[1] Mulbauer, A.: History of Induction Heating & Melting,Vulkan-Verlang, GmbH,2008

[2] Llewellyn, Hudd, R.C., Steels: Metallurgy & Aplications, Third edition, Butterworth-

Heinemann, Oxford, UK, 1998.

[3] Nemkov, V.S., Bukanin, V.A., Ivanov, A. N., Zerbini, J.C., Perspective of using

Electrothermal Software programs in investigation of forge heating by induction, 360

SENAFOR, 20a Conferência Internacional de Forjamento – Brasil, 2016

[4] NSGSoft, ELTA At a Glance Manual, Russia, 2014.

[5] NSGSoft, 2DELTA User Manual, Russia, 2014.

[6] NSG New Solutions Group. Software for Induction Heating. Disponível em:

<www.nsgsoft.com>. Acesso em 15 de maio de 2017.

[7] Nemkov, V., Bukanin,V., Ivanov, A.,and Zenkov A., Learning and Teaching Induction

Heating using ELTA programs,Saint Petersburg, Russia, 2014

[8] Tottem,G.E.,Howes,A.H., Steel Heattreatment Handbook, 1st edition, Marcel

Dekker.Inc., USA, 1997

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[9] Totten, G. E.,editor, Steel Heat Treatment Handbook, 2nd edition, CRC Press, USA,

2007

[10] Chandler, H., Heat Treaters Guide: Practices and Procedures for Iron and Steels, 2nd

edition, ASM, 1995

AGRADECIMENTOS

1) À Heatserv Indústria e Comércio Ltda, por ter cedido gentilmente os corpos de

prova usinados para a realização dos ensaios.

2) Ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas, por ter concedido o uso dos equipamentos

para aquecimento e análises microestruturais.