( PDF ) Design de produto: seleção de materiais e processos com aplicação de campo magnético em núcleos de alto-falantes

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais

PPGEM

Halston Mozetic

DESIGN DE PRODUTO: SELEÇÃO DE MATERIAIS E PROCESSOS

COM APLICAÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO EM NÚCLEOS DE

ALTO-FALANTES

Porto Alegre

2008

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HALSTON MOZETIC

Engenheiro Mecânico

DESIGN DE PRODUTO: SELEÇÃO DE MATERIAIS E PROCESSOS

COM APLICAÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO EM NÚCLEOS DE

ALTO-FALANTES

Trabalho realizado no Departamento de

Metalurgia da Escola de Engenharia da

UFRGS, dentro do Programa de Pós-

Graduação em Engenharia de Minas,

Metalúrgica e de Materiais – PPGEM, como

parte dos requisitos para obtenção do título de

Mestre em Engenharia.

Área de Concentração: Ciência e Tecnologia

dos Materiais

Orientador: Prof. Dr. Wilson Kindlein Júnior

Porto Alegre

2008

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HALSTON MOZETIC

Engenheiro Mecânico

DESIGN DE PRODUTO: SELEÇÃO DE MATERIAIS E PROCESSOS

COM APLICAÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO EM NÚCLEOS DE

ALTO-FALANTES

Trabalho realizado no Departamento de

Metalurgia da Escola de Engenharia da

UFRGS, dentro do Programa de Pós-

Graduação em Engenharia de Minas,

Metalúrgica e de Materiais – PPGEM, como

parte dos requisitos para obtenção do título de

Mestre em Engenharia.

Área de Concentração: Ciência e Tecnologia

dos Materiais

Orientador: Prof. Dr. Wilson Kindlein Júnior

APROVADA PELA BANCA EXAMINADORA

Porto Alegre, 01 de Dezembro de 2008.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Fábio Gonçalves Teixeira - DEG - UFRGS

Prof. Dr. Julian Penkov Geshev - IF/LAM - UFRGS

Prof. Dr. Vilson João Batista - DEMEC - UFRGS

Prof. Dr. Carlos Pérez Bergmann

Coordenador do PPGEM

Dedico este trabalho à Solange e aos nossos filhos Júlia e Guilherme.

AGRADECIMENTOS

Aos Professores Dr. Wilson Kindlein Júnior, Dr. Bergmann, Dr. Telmo e Dra. Liane

Roldo devo meus agradecimentos pela confiança e orientação prestada.

Aos membros da banca examinadora pelas importantes contribuições elevando a

qualidade do trabalho.

Meus agradecimentos especiais ao M.Sc. Eduardo Foncesa e ao Técnico Gerson

Toaldo Bello pelo grande apoio, orientação e estímulo neste trabalho.

Aos colegas que colaboraram de alguma forma na realização deste trabalho e me

acompanharam durante esses dois anos.

À Eletrônica Selenium, em nome de Edson Luiz Sanches Franco e Tadeslau A. S.

Souza, pelo auxílio técnico sem o qual este trabalho não seria possível.

À empresa ”Fazer Ciência e Inovação”, em especial ao Ângelo Ribeiro Morrone, pela

realização dos equipamentos para indução magnética nos tratamentos térmicos aqui

apresentados.

A todos os professores que contribuíram na minha formação como engenheiro meus

sinceros agradecimentos.

A CAPES, ao LdSM e à UFRGS pelo apoio técnico e financeiro dando condições

materiais para a realização do trabalho.

RESUMO

Este trabalho tem por objetivo apresentar os resultados obtidos com o uso da técnica

de campo magnético induzido durante o tratamento térmico do Ferro Fundido Nodular em

desenvolvimento de núcleos de alto-falantes. Para este estudo foi escolhido como material o

Ferro Fundido Nodular devido ao baixo custo de obtenção das peças e também por ser um

material de fácil aquisição no mercado. Foram confeccionadas 90 amostras deste Ferro

Fundido Nodular com percentuais diferenciados de Ferro, Silício e Carbono, sendo que as

amostras quando foram submetidas ao tratamento térmico de recozimento também sofreram a

indução magnética. Os parâmetros utilizados no tratamento térmico situaram-se na faixa de

temperatura de aquecimento de 900ºC até 920ºC e uma indução magnética “B” entre 16000 e

20000 Gauss. O grande desafio deste trabalho estava no fato de que variações de composição

das ligas de ferro fundido nodular, aliadas as inclusões de outros materiais não magnetizáveis,

modificavam, para pior, o desempenho dos núcleos dos alto-falantes. Para obter-se, então,

uma estrutura em que o fluxo magnético pudesse permear, buscou-se primeiramente

selecionar a liga de ferro fundido eliminando ao máximo os materiais não magnetizáveis, e só

então, estudar um processo de tratamento térmico com indução magnética que tornasse o

material adequado ao uso nos núcleos de alto-falantes. Para melhorar as propriedades

magnéticas de forma contundente, buscou-se através do recozimento com campo induzido um

alinhamento dos domínios, ou seja, uma ordenação dos “spins” dentro dos grãos do material

que juntamente com a elevação de temperatura tenderam a ter um mesmo sentido, facilitando

de maneira significativa a passagem do fluxo magnético, propriedade importante para o

desempenho dos núcleos de alto-falantes. Foram realizados recozimentos com campo

induzido observando-se o desempenho da permeabilidade magnética inicial das peças e

posteriormente medidas com equipamento de saturação de campo. Esses resultados foram

correlacionados com os dados obtidos pelo uso do aço SAE 1020, nas mesmas condições de

uso e teste de laboratório. Foram realizados estudos metalográficos, além de análises de

composição química das amostras e a relação destes fatores com as propriedades magnéticas.

Também foram estudados os dados de usinabilidade das amostras do ferro fundido nodular

tratadas termicamente com indução magnética e subseqüentemente comparados com o Aço

SAE 1020. Do ponto de vista científico, uma das contribuições deste trabalho, está na

influência da indução de campo magnético durante o tratamento térmico das amostras, pois é

possível verificar um ganho significativo nas propriedades magnéticas apresentadas pelos

núcleos dos alto-falantes durante os testes de desempenho. A outra está no fato de que ganhos

correlacionados ao design do produto possibilitam utilizar o ferro fundido como uma

alternativa economicamente viável e perfeitamente ajustável à alta performance dos alto-

falantes. Como resultado deste estudo foi demonstrado à possibilidade do uso do recozimento

com indução magnética, como forma de aumentar a permeabilidade de um material com alto

teor de carbono, no caso específico, o ferro fundido nodular. Este trabalho permite afirmar

que é possível desenvolver núcleos magnéticos de alto-falantes em ferro fundido nodular com

alto desempenho e também sugerir que outras aplicações onde seja necessário aumento do

desempenho magnético esta técnica possa ser aplicada.

Palavras-chave: Design de Produto. Seleção de Materiais. Propriedades Magnéticas.

Tratamento Térmico. Ferro Fundido.

ABSTRACT

This work aims to present the results obtained with the use of induced magnetic field

during the heat treatment of Nodular Cast Iron for speaker cores. For this study development,

the chosen material is the nodular cast iron due to the low trading costs and ease of purchase

on the market. Ninety samples of nodular cast iron were constructed, with different iron,

silicon and carbon contents. Samples, when subjected to annealing, were also subjected to

magnetic induction. The final temperature on the heat treatment was in the range of 900ºC to

920ºC, and the magnetic induction was in the range of 16000 to 20000 Gauss. The challenge

of this work was in the fact that compositional changes in the nodular cast iron, allied to

inclusions of non-magnetizable materials, modify for worse the performance of speaker cores.

To obtain a structure that the magnetic field could permeate, the cast iron alloys were selected

to eliminate, at most, the presence of non-magnetizable materials, and only then consider a

heat treatment process with magnetic induction to make the material suitable for use in

speaker cores. To improve the magnetic properties, an alignment of dipoles of the material,

through induced magnetic field during annealing was intended. Annealing with induced

magnetic field was carried out, observing the performance of the initial magnetic permeability

of the samples, and subsequently measured with field saturation equipment. The results were

correlated with the obtained data from the use of the SAE 1020 steel, with the same

conditions of use and laboratory tests. Metallographic and chemical composition analyses

were carried out on the samples, and the correlation of these data with the magnetic properties

was estmated. Also machinability of the thermal treated with magnetic induction nodular cast

iron samples were analyzed and compared with the SAE 1020 steel. From the scientific point

of view, one of the contributions of this work is the influence of induced magnetic field

during the heat treatment of the samples, since it was possible to verify a significant gain in

the magnetic properties of the speaker cores during the performance tests. Another

contribution is the fact that gains correlated with the design of the product enable the use of

cast iron as an economically viable and fully adjustable material to the high performance of

subwoofers. As a result of this work, the possibility of using annealing with magnetic

induction was presented as a way to increase the permeability of a material with high carbon

content, in this particular case, the nodular cast iron. This research allows asserting that it is

possible to develop speaker magnetic cores of nodular cast iron with high

performance and also suggest that this technique can be applied to other applications where it

is necessary to increase their magnetic performance.

Keywords: Product Design. Material Selection. Magnetics Properties. Thermal Treatments.

Cast Iron.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Inversão da Lógica de Pensamento entre Engenheiros e Designers (A Importância do

Binômio Design e Engenharia como Catalizador de Inovação)

...........................................................23

Figura 2 – Diagrama de Fases para o Sistema Ferro-Carbono .............................................................26

Figura 3 – Estrutura do Alto-Falante ......................................................................................................27

Figura 4 – Magnetismo Atômico: (A) Diamagnético (B) Magnético..................................................28

Figura 5 – Alinhamento de Domínios ....................................................................................................29

Figura 6 – Processo de Alinhamento Magnético do Material...............................................................30

Figura 7 – Curva de Magnetização de um Material Ferromagnético...................................................30

Figura 8 – Fenômeno da Histerese Magnética, onde o Ciclo de Histerese com Representação de B,

H e Db/Dh, Onde Db/Dh tem Dimensão de Permeabilidade, e é Igual à Inclinação da Curva de

Histerese

...................................................................................................................................................31

Figura 9 – Materiais Magneticamente Duros e Moles ..........................................................................32

Figura 10 – Elemento Incremental de Volume......................................................................................33

Figura 11 – Caminho “abcd”...................................................................................................................34

Figura 12 – Diagrama de Fases Ferro-Carbono na Vizinhança do Eutetóide......................................36

Figura 13 – Efeito do Tempo na Decomposição da Fe

C (Cementita)...............................................37

Figura 14 – Micrografia Ferro Fundido Nodular, Ataque Nital 3%, Aumento 400x .........................38

Figura 15 – Fluxo Magnético Através da Superfície de Área “A”.......................................................41

Figura 16 – Circuito com o Anel Bobinado...........................................................................................44

Figura 17 – Curvas de Magnetização do Ferro Medidas com Diferentes Temperaturas, após o

Recozimento A 800ºC

.............................................................................................................................46

Figura 18 – Campos Magnéticos Altos, a Indução Decresce com Aumento da Temperatura ..........47

Figura 19 – Permeabilidade do Ferro, em Várias Temperaturas..........................................................48

Figura 20 – “Histerese” do Ferro Próximo ao Ponto Curie...................................................................48

Figura 21 – Anel em Fofo Nodular Bobinado Preparado para o Teste de Saturação Magnética.......49

Figura 22 – Ensaio de Saturação Magnética no Lam (Laboratório de Magnetismo da UFRGS)......51

Figura 23 – Anel Bobinado Extraído da Peça Fundida na Bancada Submetido a Saturação

Magnética

.................................................................................................................................................51

Figura 24 – Forno de Recozimento com Indução Magnética (Forno 15kw/1200ºC).........................53

Figura 25 – (03 Peças) Montadas Dentro da Bobina (Solenóide) Especialmente Construída para este

Trabalho....................................................................................................................................................53

Figura 26 – Vista Frontal do Forno com Outras Peças Dentro da Bobina (Solenóide) de Indução...54

Figura 27 – Campo Magnético X Corrente Elétrica..............................................................................55

Figura 28 – Variação Percentual do Campo em Relação ao Centro da Peça ......................................55

Figura 29 – Forno 15kw/1200 ºC............................................................................................................57

Figura 30 – Fonte de Alimentação e a Solenóide de Indução...............................................................57

Figura 31 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Aço SAE

1020...........................................................................................................................................................

Figura 32 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Aço SAE 1020.... ...61

Figura 33 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L1.... ..62

Figura 34 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L1 ....................62

Figura 35 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L2..... .63

Figura 36 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L2 ....................63

Figura 37 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L3..... .64

Figura 38 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L3 ....................64

Figura 39 – Gráficos de Histerese Comparativos entre as Ligas Aço, L1, L2 E L3 ...........................65

Figura 40 – Curvas Comparativas de Saturação Magnética entre as Ligas Aço, L1, L2 E L3........ ..66

Figura 41 – Peça Polar Antiga/ Aço SAE 1020.....................................................................................67

Figura 43 – Peça Polar L1/Fofo “Nova Forma” ....................................................................................68

Figura 44 – Micrografia de uma Amostra “Fofo Nodular L1” com Ataque de Nital 2% Aumento

100x.....

......................................................................................................................................................70

Figura 45 – Micrografia de uma Amostra “Fofo Nodular L1 Recozido” com Ataque de Nital 2%

Aumento 100x

..........................................................................................................................................70

Figura 46 – Micrografia do Aço SAE 1020 com Ataque de Nital 2% Aumento 100x .....................71

Figura 47 – Simulação do Conjunto Magnético Atual em Aço SAE 1020 do Woofer Wpu1507....73

Figura 48 – Simulação do Conjunto Magnético Utilizando a Liga L1, sem Alteração no Formato da

Peça......

.....................................................................................................................................................74

Figura 49 – Simulação do Melhor Formato de Peça Polar Utilizando a Liga L1 ...............................75

Figura 50 – Simulação do Conjunto Magnético Utilizando liga l2 e Novo Formato de Peça..... ......76

Figura 51 – Simulação do Conjunto Magnético Utilizando liga l3 e Novo Formato de Peça..... ......76

Figura 52 – Curva de resposta comparativa com protótipos Wpu1507-l1/l2/l3 e Wpu1507 atual....79

Figura 53 – Sala de Som..........................................................................................................................86

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Linha Típica de Vácuo para Fornos para Alta Temperatura, Fornecidos pela

Eurotherm Heat Treatment - Certificada Nacap (National Aerospace and Defense Contractors

Accreditation Program)

.............................................................................................................39

Quadro 2 – Ligas com sua Densidade de Fluxo........................................................................77

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Aço 1020 ....................59

Tabela 2 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Peça L1 .......................59

Tabela 3 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Peça L2 .......................60

Tabela 4 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Peça L3. ......................60

Tabela 5 – Composição Química Percentual das Amostras, com Teores de Carbono, Silício,

Manganês e Fósforo

.................................................................................................................69

Tabela 6 – Parâmetros de Usinagem Utilizados para as Ligas L1, L2 e L3.............................72

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

ASTM – American Society for Testing Materials;

B – Densidade de Fluxo Magnético;

- Densidade de Fluxo na Fronteira;

CGS – Sistema (Centímetro-Grama-Segundo);

D – diâmetro externo do anel;

d – diâmetro interno do anel;

FEMM – Método de Elementos Finitos Aplicado ao Magnetismo;

FoFo – Ferro Fundido;

f – freqüência;

G – módulo de cisalhamento;

GAP – Espaço entre imã e a peça polar;

GO – Grão Orientado;

GNO – Grão Não Orientado;

H – Força Magnetizante;

I - Corrente Elétrica

L1 – Liga 1 da Amostra de Ferro Fundido;

L2 – Liga 2 da Amostra de Ferro Fundido;

L3 – Liga 3 da Amostra de Ferro Fundido;

LAM – Laboratório de Magnetismo;

LAMEF – Laboratório de Metalurgia Física;

LACAR – Laboratório de Caracterização de Materiais;

LdSM – Laboratório de Design e Seleção de Materiais;

- comprimento do fio;

m – massa;

N – Número de voltas do enrolamento;

PPGEM – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalurgia e de Materiais;

RIM - Recozimento com Indução Magnética;

SI – Sistema Internacional de Medidas;

UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul;

v – tensão elétrica;

– austenita;

– ferrita;

xyz

∆

- Volume Incremental;

– permeabilidade;

- densidade.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................18

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................................22

2.1 DESIGN E ENGENHARIA...............................................................................................22

2.2 O TRATAMENTO TÉRMICO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA COMO

FERRAMENTA PARA AUMENTAR A PERMEABILIDADE DOS MATERIAIS

FERROMAGNÉTICOS

...........................................................................................................24

2.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS ....................................................................................................26

2.3.1 A Teoria dos Domínios Magnéticos .............................................................................29

2.3.2 As Relações de Fronteiras no Campo Magnético.......................................................32

2.4 RECOZIMENTO ...............................................................................................................35

2.4.1 Recozimento de Ligas Ferrosas....................................................................................36

2.4.2 Normalização .................................................................................................................37

2.4.3 Recozimento pleno.........................................................................................................38

2.3.4 Recozimento subcrítico.................................................................................................38

2.5 EQUIPAMENTO BÁSICO................................................................................................39

2.6 PRINCIPAIS EFEITOS DO VÁCUO NO TRATAMENTO DE MATERIAIS...............40

2.6.2 Óxidos.............................................................................................................................40

2.7 FORNO PARA RECOZIMENTO .....................................................................................40

2.8 FLUXO MAGNÉTICO......................................................................................................41

2.8.1 Instrumentos de Medição..............................................................................................42

2.8.2 Medição de Histerese DC..............................................................................................43

2.8.3 Dimensionamento da Bobina de Teste.........................................................................44

2.9 TEMPERATURA E O PONTO CURIE............................................................................46

3 MATERIAIS E MÉTODOS...............................................................................................49

3.1 MATERIAIS ......................................................................................................................49

3.2 PROCEDIMENTOS DE ENSAIOS DE INDUÇÃO MAGNÉTICA COM

RECOZIMENTO (RIM) PARA O FOFO NODULAR L1, L2 E L3.

.....................................52

3.3 CARACTERÍSTICAS DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO STT01/ BOBINA DE

INDUÇÃO

................................................................................................................................54

3.3.1 Composição Química.....................................................................................................56

3.3.2 Metalografia...................................................................................................................56

3.4 RECOZIMENTO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA PARA AS PEÇAS L1, L2 E L3.....56

4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS.............................................58

4.1 ANÁLISES E ENSAIOS COMPARATIVOS COM ANÉIS FABRICADOS EM AÇO

SAE 1020 E FOFO NODULAR

..............................................................................................58

4.1.1 Peças em Aço SAE 1020 e FoFo Nodular submetidas à Indução Magnética...........58

4.2 CARACTERIZAÇÃO DAS PEÇAS QUE SOFRERAM O PROCESSO DE

RECOZIMENTO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA

...............................................................65

4.2.1 Composição Química.....................................................................................................69

4.2.2 Metalografia...................................................................................................................70

4.3 CARACTERIZAÇÃO DAS PEÇAS QUE SOFRERAM O PROCESSO DE

RECOZIMENTO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA QUANTO A SUA USINABILIDADE

4.4 SIMULAÇÃO DAS PEÇAS QUE SOFRERAM O PROCESSO DE RECOZIMENTO

COM INDUÇÃO MAGNÉTICA

.............................................................................................72

4.5 DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPOS .....................................................................77

4.5.1 Testes e Validação das Simulações...............................................................................78

4.6 CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA DAS AMOSTRAS TRATADAS.........................81

4.7 CORRELAÇÃO ENTRE PERMEABILIDADE E CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICO-

METALÚRGICAS

...................................................................................................................81

4.8 CORRELAÇÃO ENTRE CURVA DE RESPOSTA E CARACTERÍSTICAS

MAGNÉTICAS-METALÚRGICAS

.......................................................................................82

5 CONCLUSÕES....................................................................................................................84

6 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ............................................................87

REFERÊNCIAS .....................................................................................................................88

APÊNDICE A – MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS APLICADOS AO

ELETROMAGNETISMO.....................................................................................................95

1 INTRODUÇÃO

Para adaptar-se às exigências de um mercado industrial cada vez mais concorrente, a

indústria moderna se obriga a desenvolver novas técnicas e conceitos de produção, bem como

investir em tecnologia para produção de novos materiais, ou substituir os já existentes por

outros mais convenientes. Como conceito global, a indústria mundial busca a segurança de

qualidade de seus produtos e serviços com menor investimento em material, energia, pessoal,

e com a redução de custos de seus produtos e com o processo de produção.

Em indústrias de produtos de fundição o ferro fundido nodular faz concorrência ao

alumínio devido as suas propriedades mecânicas, proporcionando peças mais leves. Para a

caracterização desse tipo de material podem ser usados métodos não destrutivos de teste, os

quais permitem um processo estável e rápido, e com menos perdas (CONFERÊNCIA SOBRE

TECNOLOGIA DE EQUIPAMENTOS, 2002).

Com esta compreensão, o estudo foi realizado, o qual consiste na execução do

alinhamento dos domínios magnéticos de algumas ligas, desenvolvidas e selecionadas, de

FoFo Nodular. Ferro Fundido entende-se como sendo ligas ferrosas com carbono acima de

2%, e também contendo outros elementos de liga como silício, manganês, níquel e outros. As

propriedades mecânicas, bem como as magnéticas, são sensíveis aos teores de carbono, tipo

de liga de fundição, bem como o tratamento térmico empregado. O material apresenta uma

estrutura cristalina típica caracterizada por nódulos de grafita e uma matriz metálica, que

envolve estes nódulos, podendo ser ferrítica ou perlítica, ou uma combinação destas duas em

função do tratamento térmico.

A importância histórica e comercial do ferro como material magnético deu origem ao

termo ferromagnetismo. O ferromagnetismo é resultado da estrutura eletrônica dos átomos

(VAN VLACK, 1970). Numa visão microscópica, o ferro é um material magneticamente

orientado, no entanto macroscopicamente, ele não é magnético. Isso se explica devido a

existência de domínios magnéticos com orientações alternadas compensado-se mutuamente.

Na fronteira entre dois domínios magnéticos existe uma barreira de energia chamada barreira

magnética, fronteira, ou ainda “Muro de Bloch”. Quando aplicado um campo magnético

externo a um material ferromagnético, os domínios magnéticos dentro deste material são

orientados na mesma direção do campo aplicado (STEGEMANN, 1990). Para um efeito

macroscópico, o efeito físico que surge durante a magnetização de um material pode ser

descrito pela curva de magnetização e com a utilização de um campo magnético alternado

teremos a curva ou laço de histerese.

Os parâmetros que influenciam na forma da curva de histerese dos materiais podem

ser classificados em dois grupos. No primeiro grupo estão os parâmetros do magnetismo: a

intensidade do campo magnético aplicado e a freqüência do campo alternado. No segundo

grupo estão os parâmetros microestruturais dos materiais: diferenças microestruturais e

discordâncias na estrutura cristalina (CALLISTER JUNIOR, 2000).

Tanto as propriedades mecânicas quanto as magnéticas de materiais ferromagnéticos

sofrem influência direta de qualquer que seja o tipo de distorção do cristal como, por

exemplo, microestrutura ou composição da liga. As distorções cristalográficas dificultam os

movimentos das barreiras magnéticas, bem como, das discordâncias mecânicas, o que mostra

a existência da forte dependência entre esses efeitos. Isso favorece a determinação não

destrutiva dos valores de resistência mecânica e dureza através do uso de testes

magnetoindutivos como o da análise harmônica de correntes parasitas.

Existem requisitos básicos que um equipamento deve possuir para ser possível a

determinação, através de uma solenóide, das perdas magnéticas que um determinado material,

magnetizável, quando este é submetido a uma indução magnética, ou em outras palavras,

quando é possível ser percebida uma variação da densidade de fluxo magnético. Estas

características irão determinar o melhor desempenho que um determinado alto-falante irá ter

ao longo de sua vida útil.

É conhecida a possibilidade de se relacionar as propriedades magnéticas do aço com o

comportamento acústico que este material irá ter quando utilizado para fabricação do núcleo

magnético, responsável pelo desempenho do equipamento de som. Este trabalho, realizado em

conjunto com a Eletrônica Selenium, avaliou o processo de recozimento com indução

magnética do Ferro Fundido Nodular, como uma alternativa economicamente viável e

extremamente vantajosa para com os objetivos de redução de custo e também para assegurar

que o produto produzido esteja dentro das normas de qualidade.

Uma vez que este trabalho foi desenvolvido para mais de um tipo de Ferro Fundido

Nodular, mas de baixa variação composicional e que passa por um mesmo processo de

fundição, diminuíram os fatores que influenciaram nas propriedades magnéticas do material.

Os fatores que tiveram influência neste estudo foram, principalmente, a presença de carbono,

o teor de elementos não desejáveis na sua microestrutura e também a quantidade de nódulos

de grafita apresentada pelas amostras após a fundição.

A fim de verificar a aplicabilidade do processo, buscou-se relacionar os dados de

propriedades magnéticas, obtidos em ensaios de saturação no LAM da UFRGS, com os

encontrados nos ensaios realizados pela Eletrônica Selenium em seu laboratório de testes.

Além disso, foram analisadas as variações das permeabilidades, freqüências e das

forças magnéticas, bem como suas relações com o desempenho dos alto-falantes. As

características do FoFo Nodular obtidas a partir de análises metalográficas e do conteúdo de

inclusões nas amostras, indicaram quais das composições, com seus respectivos tratamentos

térmicos de recozimento, foram as melhores opções de utilização na construção dos núcleos

magnéticos.

Paralelamente, foram realizados estudos observando-se a forma, do núcleo magnético,

a fim de verificar a influência deste fator para o aumento do fluxo magnético, fazendo um

comparativo com o material utilizado, o Aço SAE 1020.

A Eletrônica Selenium S.A. produz Alto-Falantes (Woofers, Mid-Rangers, Drivers,

Tweeters), Caixas-Acústicas, Amplificadores, Mesas de Som e componentes para sonorização

utilizando os processos e tecnologias mais avançadas do mercado. Para atestar a qualidade

dos produtos e garantir que suas características estejam dentro das normas estabelecidas, são

feitos ensaios acústicos em amostras retiradas de cada lote de peças produzidas, obtendo-se

dados de limite de potência, permeabilidade, impedância, entre outras variáveis significativas

para o bom desempenho do produto.

A Norma ASTM A596/A596M - 95 (AMERICAN SOCIET FOR TESTING AND

MATERIALS, 1995b) determina as condições básicas que um equipamento, que se utiliza das

propriedades magnéticas, deve possuir para ser possível a sua utilização em aplicações que

necessitem alto desempenho magnético. Através de uma solenóide que envolve um

determinado material, magnetizável, submete-se o mesmo a uma indução magnética,

tornando-se possível perceber uma variação da densidade de fluxo magnético através de sua

estrutura cristalina. Este processo ao longo do tempo “t” provoca sua saturação magnética, ou

seja, uma acumulação de linhas de fluxo ao longo da rede cristalina, dificultando a passagem

de outras que estejam incidindo sobre o material.

Neste trabalho, no capítulo 2 é feita uma abordagem por meio de uma revisão da

literatura, onde são destacados os tópicos mais relevantes sobre tratamento térmico, princípios

básicos de magnetismo, teorias dos domínios magnéticos, relações de fronteiras no campo

magnético, processos e medições utilizadas.

No capítulo 3, é feita a apresentação do material estudado, os ensaios e procedimentos

utilizados para obtenção de parâmetros que possibilitem a análise dos resultados

No capítulo 4, são apresentados os resultados das análises e ensaios comparativos de

saturação magnética e permeabilidade dos materiais em estudo. Também é apresentada a

tecnologia de recozimento com indução magnética e seus desdobramentos. Ainda no capítulo

4, é apresentado o desenvolvimento do protótipo em FoFo com o nova forma e os testes de

validação das simulações com as respectivas curvas de respostas realizadas das ligas

produzidas. Também é realizada a discussão sobre os resultados obtidos e a escolha pela

melhor solução.

O capítulo 5, apresenta as conclusões obtidas a partir dos resultados desta pesquisa.

No capítulo 6, são apresentadas sugestões para futuros trabalhos.

Na parte final deste estudo são apresentadas as referências bibliográficas e mais uma

breve colocação sobre o Método de Elementos Finitos Aplicado ao Eletromagnetismo

(Apêndice A).

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 DESIGN E ENGENHARIA

A velocidade com que a tecnologia e os recursos científicos chegam até nós é

realmente impressionante. Estes recursos pressupõem uma incessante adaptabilidade no

desenvolvimento da inovação e na lógica da interação entre Design e Engenharia. A escolha

dos materiais e dos processos produtivos é hoje quase que ilimitada, o que é uma boa e má

notícia para os designers. Boa, porque podem, investindo o esforço necessário, utilizar os

materiais e métodos de fabricação como fatores de inovação; má, porque a tranqüilidade dos

tempos em que a escolha era limitada está encerrada. Passou o tempo em que a “espada era de

aço”, o “muro era de pedra”, que a “mesa era de madeira” e a “coroa era de ouro”. Existe,

hoje, uma perda de reconhecibilidade “Material X Produto” (KINDLEIN JÚNIOR, 2006).

Desta maneira, devido a esta abundância de novos materiais, a inovação passa a ser

uma constância na sociedade moderna. Também é importante ressaltar que a seleção dos

materiais e os processos de fabricação passaram a ser um assunto não exclusivamente de

engenharia, mas uma abordagem única entre design e engenharia.

Em se tratando de materiais e processos de fabricação, podemos dizer que o processo

inovador na área de design está diretamente relacionado com o fator mercadológico e

econômico, pois uma inovação é potencializada, quando existe o interesse e a apropriação

comercial de invenções ou a introdução de aperfeiçoamentos nos bens e serviços utilizados

pela sociedade (ESCOREL, 1999).

Uma das questões importantes desta relação “Design e Engenharia” está no estudo que

o designer faz em relação ao funcionamento do consumidor, ou seja, a percepção que ele,

consumidor, tem em relação ao produto. Normalmente, em uma equipe de concepção de

produto, o designer fornece ao engenheiro um processo de desenvolvimento no qual

características estruturais e funcionais são deficitárias. O engenheiro elabora produtos muito

funcionais e com características técnicas claramente dominadas, mas que não leva em conta o

“afeto” do consumidor (percepção, cor, forma, textura). Cada um aprenderá a linguagem

através do conhecimento trazido pelo outro, proporcionando, desta maneira, os instrumentos

para interpretar e transformar a compreensão que permite reconstruir o processo de concepção

(KINDLEIN JÚNIOR, 2006).

A figura 1 apresenta uma interpretação da lógica inversa de pensamento que os

engenheiros e designers têm quando elaboram um novo produto. Cabe buscar uma

mobilização nas diversas etapas do projeto em que designers e engenheiros possam se

comunicar trazendo sua colaboração da forma mais eficiente possível.

Figura 1 – Inversão da Lógica de Pensamento entre Engenheiros e Designers (A Importância do Binômio Design

e Engenharia como Catalizador de Inovação)

Fonte: Kindlein Júnior, 2006, p. 7.

Especificamente, neste trabalho, a relação “Design e Engenharia” foi estudada sob a

ótica de seleção de materiais e processos com aplicação de campo magnético em núcleos de

alto-falantes.

2.2 O TRATAMENTO TÉRMICO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA COMO

FERRAMENTA PARA AUMENTAR A PERMEABILIDADE DOS MATERIAIS

FERROMAGNÉTICOS

A Siderurgia e a Indústria da eletricidade, nas últimas décadas, vêm se dedicando cada

vez mais em obter materiais que atendam as exigências do mercado consumidor. Um por

cento do total de aços produzidos anualmente é utilizado por suas propriedades magnéticas.

De um total aproximado de 7 milhões de toneladas anuais, 1 milhão é utilizada em

transformadores (os aços chamados de grão-orientado – GO), 4 milhões são usados em

motores elétricos de bom rendimento e 2 milhões, aço tipo SAE 1006, são usados nas

aplicações de menor exigência (LANDGRAF, 2001).

O Recozimento Induzido é utilizado na metalurgia principalmente para a orientação

dos grãos, buscando induzir ao material uma textura cristalográfica do tipo {110} <001>, ou

seja, quase a totalidade dos cristais que compõe o material têm seus planos {110} paralelos à

superfície, com a direção <001> paralelo à direção longitudinal do material. Nestas

condições, suas propriedades magnéticas são excelentes. O principal objetivo das pesquisas

realizadas vêm sendo pela busca de materiais com melhores características magnéticas, pois

com a redução das dimensões e a conseqüente diminuição das perdas por Histerese e

Foucault, que impactam diretamente no desempenho destes equipamentos, o rendimento

destas maquinas aumentariam em até 36% (LANDGRAF, 2001).

O fator econômico é outro principal motivo da utilização destes materiais na indústria,

uma vez que o processo influencia diretamente a qualidade dos produtos finais, sendo o maior

ganho observado na redução de consumo de energia e o próprio rendimento mecânico gerado

pelas máquinas fabricadas. O Recozimento com indução magnética permite ainda, numa fase

mais avançada, melhorar as propriedades mecânicas, físicas e químicas destes materiais, uma

vez que sua estrutura cristalográfica apresenta um arranjo quase que totalmente orientado

facilitando a previsão de seu desempenho ao longo da vida-útil dos equipamentos com eles

produzidos. Durante o processo de recozimento com indução magnética, é possível observar

as mudanças na rede cristalina, associadas às curvas de histerese do material, bem como os

ganhos vinculados à permeabilidade.

Aços silicosos de grão não orientado – GNO – são utilizados numa grande gama de

aplicações onde alta permeabilidade ou baixa perda magnética ou ambas são requeridas. Estas

propriedades são determinadas em grande parte pela textura de recozimento final, que por sua

vez tem dependência com sua estrutura de grãos e textura desenvolvidas no estágio

intermediários de sua produção. É interessante que se obtenha o maior número de grãos com

a direção [100] e o menor número daqueles com a direção [111] paralelas à superfície, no

caso uma chapa plana, devido às características de anisotropia magnética do cristal Fe-Si.

Atuando na temperatura de acabamento do processo de laminação a quente é possível

modificar a estrutura “

” ou “

”, ou seja, austenita e ferrita respectivamente. Durante este

processo a estrutura de grãos e a textura da chapa laminada atingem uma evolução estrutural

adequada, ou seja, é obtida uma estrutura final com grãos orientados e domínios magnéticos

alinhados. Na laminação à quente de um aço, com teor de carbono inferior a 2,11% e baixo

teor de silício, tem-se um desempenho muito bom no que diz respeito a permeabilidade

magnética utilizando o campo austenítico. Conforme pode-se localizar e observar na figura 2,

nesta área torna-se fácil tratar-se termicamente o material haja vista que nessa região o teor de

carbono é muito baixo e sua decomposição é total. Esta estrutura produz um material com

permeabilidade magnética bem maior do que os aços com a laminação sendo executada no

campo ferrítico da liga (PAOLINELLI, 2002).

Figura 2 – Diagrama de Fases para o Sistema Ferro-Carbono

Fonte: ASM, v. 4, 1991.

O propósito desta pesquisa foi apresentar a evolução das propriedades magnéticas

resultantes de um ferro fundido nodular com teores de carbono acima de 2,11% e com uma

matriz ferrítica, ao contrário do aço com baixo teor de carbono, conforme mencionado

anteriormente.

2.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS

O Recozimento com Indução Magnética (RIM) se baseia na aplicação de um campo

magnético externo (o campo H dado em A/m ou Oerteds), vindo de um imã, ou no caso deste

experimento, de uma corrente elétrica, para que os “momentos magnéticos atômicos” se

orientem e induzam , no espaço ao seu redor, um campo magnético muito maior que o campo

externamente aplicado. Desta forma, entende-se a permeabilidade magnética “

” como

sendo o quanto um material pode amplificar o campo nele aplicado.

Aplica-se esta propriedade, por exemplo, no caso do alto-falante. O movimento

produzido no cone (parte integrante do alto-falante na figura 3), associado à corrente elétrica

aplicada ao imã, gera no “GAP” (entreferro), que é espaço entre o imã e peça polar, um

campo magnético que produz, como resultado, um alinhamento dos “domínios magnéticos”

dos átomos de ferro. O resultado deste fenômeno gera como resposta final uma intensidade de

campo magnético no interior do material, induzido por um campo que foi externamente

aplicado. A propriedade, em questão, é medida em Gauss (no sistema CGS) ou em tesla (no

sistema SI). O desempenho do material, ou seja, sua permeabilidade é dada pela relação entre

a indução magnética e a intensidade do campo magnético que foi aplicado.

Figura 3 – Estrutura do Alto-Falante

Fonte: Eletrônica Selenium S.A., 2008.

Os materiais metálicos magnéticos, entre eles o Ferro (Fe), o Níquel (Ni), o Cobalto

(Co) e também algumas ligas por eles formadas, são os que apresentam as maiores e melhores

características intrínsecas no que diz respeito à capacidade de amplificar milhares de vezes o

campo externo nele aplicado (PAOLINELLI, 2002). Por esta razão, em virtude de possuírem

tais propriedades, são utilizados na construção da maioria das máquinas elétricas, destacando-

se os geradores, transformadores, motores e também equipamentos acústicos. Com essa

variedade tão grande de diferentes tipos de materiais magnéticos se faz necessário entender

porque somente estes são capazes de carregar um momento magnético permanente e outros

não.

Os materiais comentados, como o ferro, são fortemente magnéticos, enquanto outros

pares que figuram na tabela periódica não o são, ou apresentam esta propriedade de forma

muito atenuada, dando origem assim ao termo “Ferromagnetismo” que caracteriza os

elementos deste grupo. O magnetismo está associado à estrutura eletrônica dos átomos de um

elemento ou composto e podem ser subdivididos em cinco grupos: Diamagnéticos,

Paramagnéticos, Ferromagnéticos, Ferrimagnéticos e Antiferromagnéticos.

No máximo dois elétrons podem ocupar cada um dos níveis de energia de um átomo

isolado e que isso também é valido para os átomos de uma estrutura cristalina. Esses dois

elétrons têm spins contrários e, como cada elétron gira em torno de si, cria um pequeno

magneto, com os correspondentes pólos norte e sul, conforme figura 4.

Figura 4 – Magnetismo Atômico: (a) Diamagnético (b) Magnético

Fonte: Filardo, [200-], p. 1.

Geralmente, o elemento tem o seu número de elétrons com os spins balanceados, ou

seja, o material é magneticamente insensível. Por outro lado, quando os subníveis não estão

corretamente preenchidos, ocorre um desbalanceamento dos spins, fazendo com que o

material tenha um momento magnético global não nulo, ou seja, como os átomos

ferromagnéticos adjacentes se alinham mutuamente de forma a terem uma orientação nesta

direção, ocorre o aparecimento, nos grãos das estruturas cristalinas, dos domínios magnéticos.

Nos materiais magnéticos balanceados, os domínios estão orientados ao acaso, ou seja,

o efeito magnético está nulo, sem presença alguma de qualquer tipo de campo magnético.

Porém, se os domínios forem alinhados pela presença de algum campo magnético externo, em

uma direção aparecerá um efeito adicional, diz-se então que o material se torna magnético e

que poderá permanecer ou não após a retirada do campo externo conforme figura 5.

Figura 5 – Alinhamento de Domínios

Fonte: Filardo, [200-], p. 1.

Para se estabelecer quando o efeito da magnetização é permanente ou não, diz-se que o

mesmo é “material magnético duro” ou “material magnético mole”. Esta definição é

apropriada, para este caso, pois os materiais mecanicamente duros são magneticamente duros.

Os materiais perdem a ordenação dos domínios magnéticos quando são submetidos ao

recozimento, ou seja, quando uma atividade térmica é imposta provocando a desorientação

dos domínios (FILARDO, [200-]).

2.3.1 A Teoria dos Domínios Magnéticos

O domínio magnético é definido como sendo o espaço onde os átomos de um

determinado elemento possuem o mesmo alinhamento magnético. Portanto, o domínio

comporta-se como sendo um pequeno imã permanente e para existir este comportamento,

deverá ocorrer um número considerável destes dentro de uma amostra de material, ou seja, o

número de domínios magnéticos de um determinado volume de material é definido a partir de

complexo balanço de energia.

Na figura 6, apresenta-se esquematicamente uma amostra de material ferromagnético

com seus domínios aleatoriamente orientados onde o magnetismo resultante é nulo e

posteriormente passando pela aplicação de um campo externo onde seus domínios começam a

sofrer uma orientação e conseqüentemente um aparecimento de um campo magnético não

nulo. À medida que o campo magnético vai sendo aumentado, a dificuldade de se obter um

novo alinhamento cresce proporcionalmente a esta tentativa, ou seja, começa a obter-se uma

saturação do material magnético. Projetando-se a curva resultante da densidade de fluxo B,

em função da intensidade de campo magnético H aplicado tem-se a curva de magnetização

conhecida, onde um aumento de H resultará um aumento menor de B. Uma força

magnetizante maior resultará em uma intensidade também maior de suas linhas de fluxo

magnético.

Figura 6 – Processo de Alinhamento Magnético do Material

Fonte: UNISANTA, c2006-2008.

Na curva de magnetização, da figura 7, destacam-se pontos importantes:

Região A – Permeabilidade “

” é constante.

Região B - “Joelho” da curva, maior valor de

antes da saturação.

Região C - “Região de saturação”, onde um aumento de

pouco aumenta

Figura 7 – Curva de Magnetização de um Material Ferromagnético

Fonte: UNISANTA, 2006-2008.

Também é importante ressaltar que ao ser reduzido o campo magnético em um

material ferromagnético, este campo não se reduz a zero e pode haver um magnetismo

residual na amostra deste material. Isto ocorre porque durante o processo de retirada do

campo os domínios magnéticos voltam a ter um desalinhamento natural e parte deles

permanecem com a nova reestruturação de quando sofreram ação do campo externo. Para o

material voltar a ter campo resultante nulo é necessário mais energia, parte dela proveniente

do próprio material e outra vinda de uma fonte externa, ou seja, um campo reverso externo

deve ser aplicado a fim de restaurar o equilíbrio magnético.

Quando a intensidade de campo magnético

for variada de zero até um valor

positivo, desse valor positivo até um valor negativo, passando por zero, e o valor negativo até

zero, obteremos uma curva característica denominada ciclo de histerese, mostrada na figura 8.

O fenômeno da histerese magnética é definido como o atraso causado na variação de

, devido a uma variação de

Figura 8 – Fenômeno da Histerese Magnética, onde o Ciclo de Histerese com Representação de B, H e dB/dH,

onde dB/dH tem Dimensão de Permeabilidade, e é Igual à Inclinação da Curva de Histerese

Fonte: UNISANTA, c2006-2008.

Os materiais ferromagnéticos como salientado anteriormente podem ser definidos

como macios que tem um ciclo de histerese estreito (fácil magnetização) e duros que possuem

um ciclo de histerese largos (difícil magnetização), conforme figura 9. Assim, para definir

curva de magnetização e permeabilidade

, é possível dizer que a curva de magnetização é

obtida tomando-se os valores máximos positivos de

em vários ciclos de histerese (o

primeiro variando de zero a um valor de

, o segundo de zero a um valor de

um pouco

maior, e assim por diante). A permeabilidade

é definida como sendo a relação entre

nessa curva de magnetização.

Figura 9 – Materiais Magneticamente Duros e Moles

Fonte: UNISANTA, c2006-2008.

2.3.2 As Relações de Fronteiras no Campo Magnético

As condições de fronteira entre dois meios diferentes, observando do ponto de vista da

condução de fluxo magnético, apresenta variações que podem ser muito relevantes em se

tratando de permeabilidade magnética “

”.

Considerando o volume incremental

zyx

∆

, imerso em um campo magnético que

cruza meios diferentes, conforme figura 10, e aplicando a lei de Gauss para o magnetismo

tem-se:

Figura 10 – Elemento Incremental de Volume

Fonte: UNISANTA, c2006-2008.

Lei de Gauss:

∫

→

d =0; (1)

→

= B ; (2)

zx∆∆

= B . (3)

1n 2n

Concluindo, as componentes normais do vetor indução magnética na fronteira entre

dois meios são iguais.

Lembrando que:

B =

H; (4)

tem-se:

H =

H ; (5)

ou ainda:

(6)

Ou seja, as componentes normais do vetor intensidade de campo magnético se

relacionam pelo inverso entre as permeabilidades dos meios.

Considerando também o caminho “abcd” imerso em um campo magnético, conforme

figura 11 e aplicando a “Lei de Ampére” tem-se:

Figura 11 – Caminho “abcd”

Fonte: UNISANTA, c2006-2008.

∫

→

d = I. (7)

→

Fazendo

tender a zero, a integração é feita apenas em

y∆

∆

, portanto:

. + H . = I; (8)

0cosx∆

°∆ 180cosx

x∆

(H -H ) = I; (9)

2t 1t

-H =

2t 1t

∆

. (10)

O termo

∆

representa uma densidade de corrente na superfície da fronteira

(densidade laminar de corrente), que será representada pela letra

. Normalmente pode-se

considerar que as correntes estão confinadas nos enrolamentos, de forma, na grande maioria

dos casos,

= 0. Assim:

= H ; (11)

2t 1t

. (12)

Ou seja, as componentes tangenciais do vetor intensidade de campo magnético são

iguais, e as componentes tangenciais do vetor indução se relacionam pela razão direta entre as

permeabilidades magnéticas dos meios (UNISANTA, c2006-2008).

2.4 RECOZIMENTO

O termo “recozimento” se refere a um tratamento térmico no qual um material é

exposto a uma temperatura por um período de tempo prolongado, sendo ele então resfriado

lentamente. Normalmente, o recozimento é realizado com os objetivos de (1) aliviar tensões;

(2) tornar o material com menor dureza, dúctil e tenaz; e/ou (3) produzir uma micro estrutura

específica. É possível realizar diferentes tratamentos térmicos de recozimento; eles são

caracterizados pelas mudanças que são induzidas, as quais muitas vezes são microestruturais,

e que são responsáveis pela alteração das propriedades mecânicas e também elétricas, quando

se trata de materiais ferromagnéticos.

Qualquer processo de recozimento consiste em três estágios, quais sejam: (1)

aquecimento até a temperatura desejada, (2) manutenção ou “encharcamento” naquela

temperatura, e (3) resfriamento, geralmente até a temperatura ambiente. O tempo é um

parâmetro importante nesses procedimentos. Durante o aquecimento e o resfriamento, existem

gradientes de temperatura entre as partes de fora e de dentro da peça; as suas magnitudes

dependem do tamanho e da geometria da peça. O tempo ideal de recozimento deve ser longo

o suficiente para permitir quaisquer reações de transformação necessárias. A temperatura de

recozimento também é um importante fator a ser considerado; o recozimento pode ser

acelerado pelo aumento da temperatura, uma vez que normalmente estão envolvidos

processos de difusão (CALLISTER, 2000).

2.4.1 Recozimento de Ligas Ferrosas

Diversos procedimentos de recozimento diferentes são empregados para melhorar as

propriedades das ligas de aço. Entretanto, antes de esses métodos serem discutidos, torna-se

necessário fazer alguns comentários em relação à identificação das fronteiras entre as fases. A

figura 12 mostra a parte do diagrama de fases ferro-carbono na vizinhança do eutetóide. A

linha horizontal na temperatura eutetóide, identificada por convenção como A

, é conhecida

“temperatura crítica inferior”, abaixo da qual, sob condições de equilíbrio, toda a austenita

terá se transformado nas fases ferrita e cementita. As fronteiras entre as fases que estão

identificadas por A

e A representam as linhas que compõem a “temperatura crítica

superior”, para os aços hipoeutetóides e hipereutetóides, respectivamente. Para temperaturas e

composições acima dessas fronteiras, somente a fase austenita irá prevalecer (CALLISTER

2000).

Figura 12 – Diagrama de Fases Ferro-Carbono na Vizinhança do Eutetóide

Fonte: ASM, 1991, v. 4, p. 661.

Também é possível observar que os efeitos na estrutura do carbeto de ferro do Ferro

Fundido Nodular são relevantes, pois com a elevação da temperatura, conforme mostrado na

figura 13 (ASM, 1991), ocorre a decomposição do carbeto de ferro Fe

C (Cementita).

Figura 13 – Efeito do Tempo na Decomposição da Fe C (Cementita)

Fonte: ASM, 1991, v. 4, p. 1496.

2.4.2 Normalização

Aços que foram deformados plasticamente mediante, por exemplo, uma operação de

laminação, são compostos por grãos de perlita (e, muito provavelmente, uma fase

proeutetóide), que possuem um formato irregular e que são relativamente grandes, mas que

variam substancialmente em tamanho. Um tratamento térmico conhecido por “normalização”

é usado para refinar os grãos, (isto é, para diminuir o tamanho médio do grão) e produzir uma

distribuição de tamanhos mais uniformes. A normalização é obtida mediante o aquecimento a

uma temperatura de aproximadamente 55 a 85ºC acima da temperatura crítica superior, que é,

obviamente, dependente da composição, como indicado na figura 12. Após ser dado tempo

suficiente para que a liga seja completamente transformada em austenita, no que se constitui

um procedimento que é conhecido por “austenitização”, o tratameto é encerrado pelo

resfriamento ao ar (CALLISTER, 2000).

2.4.3 Recozimento pleno

Um tratamento térmico conhecido por “recozimento pleno” é usado com freqüência

em aços com teores baixos e médios de carbono que serão submetidos a usinagem ou que irão

experimentar uma extensa deformação plástica durante uma operação de deformação. A liga é

austenitizada pelo seu aquecimento a até 15 a 40

(30 a 70 ) acima das linhas A

ou A

conforme indicado na figura 13, até que seja atingida uma condição de equilíbrio. A liga é

então resfriada no próprio forno; isto é , o forno de tratamento térmico é desligado e tanto o

forno como o aço resfriam até a temperatura ambiente à mesma taxa, um processo que

demanda horas de resfriamento. O procedimento de resfriamento em recozimento pleno

demanda tempo; entretanto, tem-se como resultado uma microestrutura que possui grãos

pequenos e uma estrutura granular uniforme conforme figura 14 (ASM, 1991, v. 4;

CALLISTER, 2000).

C°

F°

Figura 14 – Micrografia Ferro Fundido Nodular, Ataque Nital 3%, Aumento 400x

Fonte: ASM, 1991, v. 4, p. 1488.

2.3.4 Recozimento subcrítico

Aços que contêm teores médios e altos de carbono e que possuem uma microestrutura

composta por perlita grosseira uniforme podem ainda ser muito duros para serem

convenientemente usinados ou deformados plasticamente. Esses aços, e na realidade qualquer

aço, podem ser termicamente tratados ou recozidos para desenvolver a estrutura da cementita

globulizada. O tratamento térmico de “recozimento subcrítico” consiste em aquecer a liga a

uma temperatura imediatamente abaixo da temperatura eutetóide, ou seja, a linha A

conforme figura 13, ou até aproximadamente 700

, na região

C°

+ C do diagrama de

fases. Se a microestrutura original contiver perlita, os tempos de recozimento subcrítico irão

ficar, em geral, na faixa entre 15 e 25 h. Durante esse processo de recozimento existe uma

coalescência do

C para formar as partículas globulizadas (CALLISTER, 2000).

2.5 EQUIPAMENTO BÁSICO

Muitos processos realizados utilizando o tratamento térmico de recozimento são feitos

em fornos à vácuo. Os fornos à vácuo são usados para processos em altas temperaturas, e

variam em capacidade e tamanho. Os equipamentos vêm sendo melhorados e otimizados

constantemente nos últimos anos e utilizados largamente na indústria aeroespacial e

automotiva. O vácuo é considerado quando a pressão estiver abaixo da pressão atmosférica

tanto em aplicações industriais como também em pesquisas e é fator crucial no sucesso dos

trabalhos. As linhas típicas para fornos à vácuo são estabelecidas conforme o quadro 1, com

extensa utilização em processos de alta confiabilidade.

Linha Vácuo mBar

Atmosfera (ambiente) 10E+3

Baixo a médio vácuo 10E+3 a 10E-3

Alto vácuo 10E-3 a 10E-7

Quadro 1 – Linha Típica de Vácuo para Fornos para Alta Temperatura, Fornecidos pela Eurotherm Heat

Treatment - Certificada Nacap (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program)

Fonte: EUROTHERM, 2008.

2.6 PRINCIPAIS EFEITOS DO VÁCUO NO TRATAMENTO DE MATERIAIS

2.6.1 Pressão

A Pressão parcial na região mais elevada do vácuo, o ar residual do forno,

particularmente o hidrogênio (H) e o oxigênio (O) são reduzidos significativamente e

proporcionarão aos componentes nelas imersos uma eliminação quase por completa da

oxidação superficial. A redução do nitrogênio (N) residual também trás muitos benefícios aos

materiais que de uma forma ou outra formariam alguns nitritos, mesmo que o nitrogênio ajude

a diminuir a descarbonetação que modifica de maneira importante as suas propriedades.

2.6.2 Óxidos

A decomposição de óxidos na superfície dos componentes podem ocorrer devido as

taxas de variação de temperatura, bem como os tipos de materiais que venham a ser tratados

termicamente, ou seja, suas composições de liga, conforme as curvas utilizadas durante o

recozimento, produzirão diversos óxidos que variarão também na sua quantidade e disposição

na superfície do componente. Também é importante salientar que uma quantidade exagerada

de óxidos na superfície, em se tratando de peças semi-acabadas, trás prejuízos importantes

que devem ser avaliados, pois os processos de usinagem tornarão o custo final alto.

2.7 FORNO PARA RECOZIMENTO

Os fornos à vácuo utilizados para tratamentos térmicos, como o de recozimento, tem

várias configurações, bem como diversos fabricantes. Todos eles desenvolvem o seu projeto

obedecendo normas de engenharia que possibilitam operar dentro dos parâmetros exigidos

pelos processos em questão e também utilizam componentes e materiais comuns que

favorecem um monitoramento dos parâmetros mais importantes, como por exemplo: câmaras

cerâmicas múltiplas, sistema de vácuo, ventilação, aquecimento elétrico (resistência) e/ou gás

e sistema de resfriamento.

2.8 FLUXO MAGNÉTICO

O Fluxo Magnético

pode ser representado pelo número de linhas de fluxo que

penetram perpendicularmente em uma secção definida de um campo magnético conforme

figura 15, equações 13 e 14.

Figura 15 – Fluxo Magnético Através da Superfície de Área “A”

Fonte: CATARINO, [200-], p. 14.

= . (13)

∫

BdA

Onde o fluxo B é a densidade de fluxo magnético através da área “A”e se tivermos um

campo homogeneamente distribuído teremos:

= B . A. (14)

O fluxo magnético “

” não pode ser medido diretamente, mas é obtido relacionando a

tensão elétrica “v” com a Lei de Indução, ou seja, se o fluxo muda com o tempo “t”, uma

tensão é induzida para dentro da bobina e um fluxo pode ser medido através da equação 15.

v(t) = -N.d

/ dt. (15)

Onde N é o número de voltas da bobina.

Integrando-se a expressão acima obtêm-se a equação 16.

∫

−

)(

dttv

. (16)

Portanto, somente as mudanças de fluxo magnético entre os pontos no tempo t e t

podem ser medidos. Para realizar essas medições de modo continuo são necessários sistemas

integradores analógicos e/ou digitais.

1 2

No Sistema Internacional de Medidas (SI), a unidade de fluxo magnético é o Weber

[Wb], ou seja, um fluxo de 1 Weber ao redor, com 1 volt, por 1 segundo, para aparecer e

desaparecer o mesmo campo magnético. Por esta razão se pratica o termo Volt-segundo [Vs]

em vez de Weber, não é a unidade própria, mas representa o produto de voltagem no tempo

(BOZORTH, 1951; KNELLER, 1962).

2.8.1 Instrumentos de Medição

As tecnologias utilizadas para medições magnéticas fornecem ferramentas que

proporcionam levantamentos precisos das medidas físicas do magnetismo, assim como

identificam as próprias propriedades magnéticas dos materiais envolvidos. As medidas do

fluxo magnético são realizadas com a utilização do “Fluxmeter (Gaussmeter/Teslameter)” que

atualmente é a tecnologia de equipamento mais versátil para esta aplicação conforme norma

IEC 60404-4 (2000).

A literatura para a física básica e das propriedades magnéticas dos materiais é muito

extensa. É fundamental um trabalho padronizado quando tratamos com novos materiais.

Também é importante salientar que os equipamentos utilizados para estas medições devem ter

uma calibração periódica a fim de proporcionar uma maior precisão das medições. Embora

coexistam os sistemas SI (System International) e o CGS (Centimetro-Grama-Segundo) no

magnetismo e freqüente o uso do CGS (BOZORTH, 1951; KNELLER, 1962).

2.8.2 Medição de Histerese DC

Atualmente utiliza-se a medição em bobinas conectando-se o “Fluxmeter” com

medidores computacionais conforme IEC 60404-4 (2000).

Todas essas medições são calculadas e carregadas em softwares específicos de

controle que usam como padrão medidas feitas em barras e fitas. A velocidade de registro das

mudanças de densidade de fluxo é feita em função do tempo, ou seja, dB/dt que permite

calcular os valores incrementais de fluxo magnético. Também é importante colocar que em

função da velocidade dos “loops” de histerese, o equipamento através de seu software, torna-

se possível corrigir os desvios das curvas. Normalmente as forças magnéticas imprimidas aos

anéis, fitas, barras sólidas de aço ou material sinterizado, variam de 0,1 A/m, 100 A/m, até um

máximo de 10 KA/m (IEC 60404-4, 2000).

A figura16 ilustra o método de como o ensaio com a amostra padrão (anel bobinado) é

realizado e também segue de que forma são feitos os cálculos para sua construção.

Figura 16 – Circuito com o Anel Bobinado

Fonte: AMERICAN SOCIET FOR TESTING AND MATERIALS, 1995b, p. 75.

2.8.3 Dimensionamento da Bobina de Teste

As características da bobina são calculadas como segue nas equações abaixo:

 Quando uma corrente I é aplicada na bobina primária o campo H é calculado

conforme equação 17.

H =

. (17)

Onde N

é o número de voltas do enrolamento primário e l o comprimento do fio

onde será gerado o meio magnético, obtido conforme equação 18.

dD +

. (18)

Onde D é o diâmetro externo e d o diâmetro interno do anel.

A variação de H deve se manter muito pequena por este motivo a razão entre os anéis

não deve exceder a 1.4 (STEINGROEVER, 2008). Se por alguma razão esta condição não

poder ser obedecida, l poderá ser melhor calculado respeitando a média da força do campo

magnético aplicado, conforme equação 19.

)ln(

dD −

. (19)

A tensão que é induzida na bobina secundária deve ser integrada para obter o fluxo

por esta razão um fluxmeter é usado e com o fluxo

, a densidade B é calculada pela equação

20.

B =

AN .

. (20)

Aqui é o número de voltas do enrolamento secundário e A como sendo a área da

secção transversal do anel que pode ser calculada considerando todo o perímetro da secção

com altura h, demonstrado na equação 21.

−

. (21)

Se o anel for constituído por chapas planas ou enrolamentos em fita, a área deverá ser

calculada conforme equação 22.

()

+..

πρ

. (22)

Onde m é a massa e

a densidade do material.

Uma vez que esses parâmetros de construção são definidos os testes de fluxo

magnético podem ser realizados (STEINGROEVER, 2008).

2.9 TEMPERATURA E O PONTO CURIE

Junto com o campo magnético e o “stress”, a temperatura é o principal fator de

modificação na magnetização. A grande influência da temperatura é raramente abaixo do

ponto Curie ou próximo da temperatura de transformação de fase (BOZORTH, 1951).

O caminho onde ocorrem as modificações das condições de magnetização do ferro são

mostradas na figura 17.

Figura 17 – Curvas de Magnetização do Ferro Medidas com Diferentes Temperaturas, após o Recozimento a 800ºC

Fonte: Bozorth, 1986, p. 713.

Nas altas temperaturas, as curvas de magnetização sobem rapidamente para valores

baixos de H e se mantém niveladas e saturadas nas induções mais baixas. A saturação

continua a decrescer até aproximar-se do ponto Curie onde a magnetização do material deixa

de existir. Quando um material é submetido a um campo magnético alto e constante, um

aumento da temperatura normalmente trás um decréscimo abrupto na indução, quase a zero

no ponto Curie, conforme mostrado na figura 18.

Figura 18 – Campos Magnéticos Altos, a Indução Decresce com Aumento da Temperatura

Fonte: Bozorth, 1986, p. 714.

Dependendo da permeabilidade apresentada pelo ferro e da temperatura, a força do

campo magnético é praticamente constante, conforme mostra a figura 19.

Figura 19 – Permeabilidade do Ferro, em Várias Temperaturas

Fonte: Bozorth, 1986, p. 714.

Outra característica importante a ser ressaltada nas curvas de histerese do ferro é que à

medida que a temperatura se aproxima do ponto Curie atinge seu ponto máximo de

permeabilidade, conforme mostrado na figura 20.

Figura 20 – “Histerese” do Ferro Próximo ao Ponto Curie

Fonte: Bozorth, 1986, p. 715.

Weiss e Forrer (1920-1925 apud BOZORTH, 1986) em seus ensaios selecionaram

vários “Pontos Curie” onde ocorreram alterações das propriedades magnéticas das ligas e

também provaram que mesmo repetindo-se vários experimentos não é possível sobrepor

perfeitamente ás curvas de histerese.

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 MATERIAIS

Foi desenvolvido um processo onde foram estudadas diversas amostras de FoFo

Nodular, com varias composições percentuais de Fe-Si-C, onde buscou-se otimizar a

Densidade de Fluxo Magnético “B” através de uma Força Magnetizante “H”, tendo como

resultado uma maior Permeabilidade Magnética “

” do meio analisado, dado pela equação

23.

B/H. (23)

A partir deste desenvolvimento, construiu-se o “Processo de Indução Magnética

durante o Tratamento Térmico”, ou seja, com um anel usinado, mostrado na figura 21, a partir

da amostra FoFo, contendo duas espiras, sendo a bobina primária com N1= 1330 espiras

(AWG 32) e N2= 496 espiras (AWG 25) e uma freqüência de 60 Hz, submeteu-se as “Ligas”

a uma Força Magnetizante “H” com aumento de temperatura até 910ºC e posteriormente um

resfriamento controlado.

Figura 21 – Anel em FoFo Nodular Bobinado Preparado para o Teste de Saturação Magnética

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

O trabalho foi realizado utilizando como material de análise peças fundidas, com

diferentes composições percentuais de Ferro (%Fe), Silício (%Si) e Carbono (%C),

provenientes da Siderúrgica Dueville Indústria e Comércio Ltda., para os ensaios de

recozimento com indução magnética. Foram produzidas 30 amostras para cada tipo de liga,

L1(2,67%C – 3,00%Si), L2(2,82%C – 3,20%Si) e L3(3,68%C - 6,00%Si), totalizando 90

peças fundidas. Destas, 10 peças de cada lote, L1, L2 e L3, foram submetidos ao processo de

recozimento com indução magnética (RIM) e comparativos entre o comportamento magnético

das peças tratadas com o Aço SAE 1020 foram realizados. Após os resultados levantados foi

realizado um trabalho de otimização da forma da peça polar, ou seja, através do software de

“Análise de Elementos Finitos FEMM 4.2” de propriedade da Eletrônica Selenium S.A., as

peças foram redesenhadas e novamente fundidas. Os núcleos fabricados foram montados e

comparados com os produzidos em aço SAE 1020.

As peças foram fundidas procurando-se obter os valores percentuais do teor de

carbono (máx. 3,00%), silício (3,00%) e fósforo (0,08%), para o FoFo Nodular, conforme a

norma ASTM A395 – 88 (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS,

1993). As propriedades mecânicas, como resistência ao impacto, no caso de alto-falantes não

são fatores importantes na seleção do material, logo um pequeno aumento no percentual de

silício e fósforo, neste caso, não é um problema durante o processo.

As figuras 22 e 23 mostram o LAM/UFRGS, onde realizou-se o trabalho e os

respectivos ensaios.

Figura 22 – Ensaio de Saturação Magnética no LAM (Laboratório de Magnetismo da UFRGS)

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Figura 23 – Anel bobinado Extraído da Peça Fundida na Bancada Submetido a Saturação Magnética

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

3.2 PROCEDIMENTOS DE ENSAIOS DE INDUÇÃO MAGNÉTICA COM

RECOZIMENTO (RIM) PARA O FOFO NODULAR L1, L2 E L3.

As Ligas fundidas para o tratamento térmico de recozimento e indução magnética

foram submetidas ao seguinte processo:

aquecimento até a temperatura de austenitização, 910ºC mantendo nesta faixa por

4 horas e depois resfriadas ao forno em 2 etapas: etapa 1 (taxa de 40 ºC/h até 700

ºC) e etapa 2 (taxa de160 ºC/h até 300 ºC) , caracterizando o processo de

recozimento pleno, ou seja buscando uma matriz totalmente ferrítica com glóbulos

de grafita conforme ASTM A 395 (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND

MATERIALS, 1993). Durante o processo de aquecimento, a partir de 500 ºC

induziu-se uma corrente elétrica “I” de 20 A (Ampéres) com tensão continua de

160 V(Volts), utilizando-se uma bobina conforme mostrado nas figuras 24 e 25. A

partir do resfriamento ao forno o sistema indutivo de corrente continua ligado até

500 ºC, quando então é desligado e o sistema segue seu resfriamento até a

temperatura ambiente (durante 18 horas), quando então se encerra o processo. No

processo de indução e recozimento simultâneo, utilizou-se uma fonte de

alimentação com tensão de entrada 110 V AC e saída 160 V DC, para obter uma

variação de corrente suficiente a fim de atender as exigências do alinhamento de

domínios magnéticos. A corrente máxima de saída foi de 20 A DC e com uma

potência máxima de operação de 3200 Watts. Também utilizou-se um termopar

tipo K (Cromel-Alumel), cuja faixa de operação é de -200 ºC até 1250 ºC. A

solenóide desenvolvida, para induzir o campo magnético, propiciou sua utilização

durante todos os ensaios, apresentando algumas rachaduras na sua superfície

devido as altas tensões envolvidas e também pelo tempo de processo. Ficou claro

que, para processos contínuos de produção em série será necessário uma solenóide

mais robusta e também com um revestimento cerâmico com maior espessura de

parede. O RIM é um processo extremamente eficiente, podendo ser observado

durante as análises das ligas um ganho significativo no que diz respeito a

permeabilidade dos materiais pesquisados;

foram colocadas no forno 30 peças de cada amostra, em lotes de (03) três peças

por fornada, conforme figuras 24, 25 e 26.

Figura 24 – Forno de Recozimento com Indução Magnética (Forno 15KW/1200ºC)

Fonte: LAMEF – LAB. METALURGIA FÍSICA/UFRGS.

Figura 25 – (03 peças) Montadas Dentro da Bobina (solenóide) Especialmente Construída para este Trabalho

Fonte: LAMEF – LAB. METALURGIA FÍSICA/UFRGS.

Figura 26 – Vista Frontal do Forno com Outras Peças Dentro da Bobina (solenóide) de Indução

Fonte: LAMEF – LAB. METALURGIA FÍSICA/UFRGS.

3.3 CARACTERÍSTICAS DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO STT01/ BOBINA DE

INDUÇÃO

Os gráficos a seguir apresentam o comportamento padrão do solenóide para uma

condição específica de trabalho e temperatura do enrolamento. Estas informações servem

como indicação para os melhores parâmetros para o regime de trabalho utilizado durante o

processo de indução magnética. A solenóide atinge uma condição de trabalho, onde a

corrente “I” máxima aplicada é de 20 A (Ampéres) e o campo “H” gerado é de 80 Oe

(Oersteds) podendo ser escolhida a melhor faixa de operação.

As curvas do campo magnético em função da corrente aplicada e da variação

percentual do campo magnético são em relação a posição central (0,0,0) do eixo da peça em

operação. A figura 27 mostra com clareza como se comporta o Campo magnético versus

Corrente Aplicada e a figura 28 a Variação Percentual do Campo versus Posição Relativa ao

Centro da Peça.

Figura 27 – Campo Magnético x Corrente Elétrica

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Figura 28 – Variação Percentual do Campo em Relação ao Centro da Peça

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

3.3.1 Composição Química

A caracterização química das amostras foi feita por espectroscopia de emissão ótica

para verificar possíveis variações que poderiam influir na medida da permeabilidade

magnética. O equipamento utilizado foi o espectrômetro “Spectro Stationary Metal

Analyzers/SPECTRO A. I. GmbH & Co. 2003 do LAMEF (Laboratório de Metalurgia Física

da UFRGS).

3.3.2 Metalografia

A fim de se obter correspondência entre o comportamento magnético e a

microestrutura foram realizados preparos metalográficos com objetivo de se caracterizar a

nodularização da grafita e também a presença de inclusões que influenciariam diretamente na

passagem do fluxo magnético pela peça. O equipamento utilizado foi o Microscópio Nikon

Eclipse ME600 do LACAR/UFRGS (Laboratório de Caracterização de Materiais da

Universidade Federal do Rio Grande do Sul).

As amostras observadas em microscópio ótico foram lixadas, polidas e quimicamente

atacadas com reagente Nital 2% (2% de ácido nítrico e 97% de álcool etílico). A análise no

microscópio foi feita no centro da secção transversal das amostras.

3.4 RECOZIMENTO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA PARA AS PEÇAS L1, L2 E L3

Os equipamentos utilizados nos ensaios deste trabalho foram o SST01 – Fonte de

Aplicação de Campo Magnético com Solenóide Indutora construída especificamente para este

trabalho e um forno SANCHIS/15KW, com temperatura máxima de 1200 ºC, conforme

figuras 29 e 30.

Figura 29 – Forno 15KW/1200 ºC

Fonte: LAB METALURGIA FÍSICA / UFRGS.

Figura

Figura 30 – Fonte de Alimentação e a Solenóide de Indução

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

4.1 ANÁLISES E ENSAIOS COMPARATIVOS COM ANÉIS FABRICADOS EM AÇO

SAE 1020 E FOFO NODULAR

4.1.1 Peças em Aço SAE 1020 e FoFo Nodular submetidas à Indução Magnética

Os anéis foram usinados de acordo com a norma ASTM A596/A596M - 95

(AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 1995b) e foram mantidas as

características dimensionais das peças de modo a se ter uma análise comparativa dentro dos

padrões especificados. Os dados retirados dos ensaios de saturação magnética sobre cada uma

das peças foram obtidos no LAM da UFRGS e são mostrados nas tabelas 1, 2, 3 e 4 e figuras

31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 e 38. É importante salientar que os valores medidos para saturação e

permeabilidade magnética são representativos do lote de (30) trinta peças, ou seja, foram

medidas (03) três peças, (01) uma peça de cada liga, L1, L2 e L3 respectivamente, pois cada

anel testado teve sua composição verificada na amostra “coquilhada”, não sendo necessária a

realização da medição em todas as peças. Outra consideração, a ser colocada é a medida

estática de permeabilidade, que foi realizada utilizando uma freqüência de 0,6 Hz e as

medidas com as peças na forma final, foram realizadas com a freqüência de 60 Hz. A

diferença básica, entre estas duas situações, está no fato de que nas baixas freqüências as

correntes parasitas são muito pequenas e não interferem na permeação do fluxo magnético

através do material, o que é totalmente contrário para freqüências na faixa de 60 Hz onde a

influência das correntes parasitas é percebida nitidamente nas curvas de permeabilidade.

As tabelas 1, 2, 3 e 4 expressam o comportamento que os matérias tiveram quando

estes foram submetidos a solicitações de Força Magnética, ou seja, a intensidade de campo ao

qual foram submetidos, fizeram com que sua capacidade de Permeabilidade ou Fluxo

Magnético máximo, fosse obtido.

Os resultados indicam, quais materiais apresentam condições de atender as

solicitações de fluxo magnético quando estes forem solicitados, no caso específico, em

núcleos magnéticos de alto-falantes.

Tabela 1 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Aço 1020

AÇO 1020

H (A/m) B (T) H (Oe) B (G) dB/dH B/H

0 0 0 0 65,5 0

56 0,00461 0,7 46,1 76 65,5

89 0,0082 1,1 82 98,1 73,3

174 0,0199 2,2 199 655,5 91

337 0,266 4,2 2660 1248,8 628,1

578 0,6585 7,3 6585 953,2 906,6

1108 1,065 13,9 10650 407,5 764,9

2224 1,352 27,9 13520 140,9 483,8

3361 1,4621 42,2 14621 59,5 346,2

4365 1,5149 54,9 15149 38 276,2

6120 1,5904 76,9 15904 34,2 206,8

Fonte: elaborado pelo autor com base na pesquisa.

Tabela 2 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Peça L1

H (A/m) B (T) H (Oe) B (G) dB/dH B/H

0 0 0 0 443 0

30 0,0167 0,4 167 485,8 443

58 0,0353 0,7 353 1895,7 484,3

86 0,1501 1,1 1501 3741,2 1388,9

169 0,5902 2,1 5902 2948,3 2779,2

337 0,9442 4,2 9442 1123,8 2229,7

569 1,1106 7,2 11106 384,3 1553,3

1107 1,2443 13,9 12443 144,3 894,5

1685 1,3103 21,2 13103 71,3 618,8

2218 1,3449 27,9 13449 52,8 482,5

3307 1,4188 41,6 14188 43,4 341,4

4365 1,4623 54,9 14623 26,2 266,6

6140 1,5064 77,2 15064 19,8 195,2

Fonte: elaborado pelo autor com base na pesquisa.

Tabela 3 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Peça L2

H (A/m) B (T) H (Oe) B (G) dB/dH B/H

0 0 0 0 197,2 0

56 0,01388 0,7 138,8 222,4 197,2

84 0,02259 1,1 225,9 844,8 214

168 0,1748 2,1 1748 1476,5 828

336 0,4938 4,2 4938 1101,7 1169,5

559 0,6878 7 6878 499,5 979,2

1111 0,9006 14 9006 220,4 645,1

1667 0,9943 20,9 9943 105,1 474,7

2217 1,0469 27,9 10469 57,2 375,8

3378 1,1028 42,4 11028 37,4 259,8

4313 1,1457 54,2 11457 33 211,4

5998 1,2082 75,4 12082 29,5 160,3

Fonte: elaborado pelo autor com base na pesquisa.

Tabela 4 – Dados Obtidos dos Ensaios de Saturação Magnética para Peça L3

H (A/m) B (T) H (Oe) B (G) dB/dH B/H

0 0 0 0 138,2 0

57 0,0099 0,7 99 141,6 138,2

85 0,015 1,1 150 125,9 140,4

164 0,0256 2,1 256 605,7 124,2

339 0,2685 4,3 2685 1029,9 630,3

563 0,5374 7,1 5374 696,6 759,6

1103 0,8345 13,9 8345 309,4 602,1

1660 0,9612 20,9 9612 140,8 460,8

2204 1,03 27,7 10300 77,5 371,9

3303 1,105 41,5 11050 40,2 266,2

4417 1,1415 55,5 11415 31,1 205,7

5727 1,201 72 12010 36,1 166,9

Fonte: elaborado pelo autor com base na pesquisa.

As Curvas de Permeabilidade indicam a permeabilidade inicial, ou seja, os valores

máximos que aqueles materiais podem obter em se tratando de fluxo magnético, pois são

valores de “pico”, com freqüências muito baixas e medidos em pequenos intervalos de tempo,

onde as correntes parasitas são desprezíveis e não interferem no desempenho do material

magnetizado.

Permeabilidade

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

02040608

Campo Aplicado H (Oe)

Permeabilidade , u. a

dB/dH

B/H

Figura 31 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Aço SAE 1020

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Curva Inicial

-1000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

0 10203040506070809

Campo Aplicado H (Oe)

Indução Magnética B (G)

Figura 32 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Aço SAE 1020

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Permeabilidade

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

02040608

Campo Aplicado H (Oe)

Permeabilidade , u. a

dB/dH

B/H

Figura 33 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L1

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Curva Inicial

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

0 10203040506070809

Campo Aplicado H (Oe)

Indução Magnética B (G)

Figura 34 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L1

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Permeabilidade

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

02040608

Campo Aplicado H (Oe)

Permeabilidade , u. a

dB/dH

B/H

Figura 35 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L2

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Curva Inicial

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

0 1020304050607080

Campo Aplicado H (Oe)

Indução Magnética B (G)

Figura 36 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L2

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Permeabilidade

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

02040608

Campo Aplicado H (Oe)

Permeabilidade , u. a

dB/dH

B/H

Figura 37 – Permeabilidade Magnética “

” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L3

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Curva Inicial

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

0 1020304050607080

Campo Aplicado H (Oe)

Indução Magnética B (G)

Figura 38 – Indução Magnética “B” Durante Aplicação de Campo “H”, para Peça L3

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

4.2 CARACTERIZAÇÃO DAS PEÇAS QUE SOFRERAM O PROCESSO DE

RECOZIMENTO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA

Os dados obtidos a partir dos ensaios de recozimento com indução, levam a concluir

que resultados de permeabilidade magnética foram muito próximos aos do Aço SAE 1020,

podendo assim ser utilizado como substituto das ligas de aço até então utilizadas. A figura 39

mostra os gráficos de histerese das ligas em FoFo Nodular L1, L2 e L3 , comparadas ao Aço

SAE 1020 e a figura 40 mostra as curvas de saturação magnética.

-14000

-12000

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Campo Aplicado, H (Oe)

Indução Magnética, B (Gauss)

1020

Figura 39 – Gráficos de Histerese Comparativos Entre as Ligas Aço, L1, L2 e L3

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Curva Inicial

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

0 102030405060708090

Campo Aplicado H (Oe)

Indução Magnética B (G)

Aço SAE 1020

Figura 40 – Curvas Comparativas de Saturação Magnética Entre as Ligas Aço, L1, L2 e L3

Fonte: LAM – LAB. MAGNETISMO/UFRGS.

Os processos aos quais foram submetidas às amostras tratadas, produziram mudanças

ainda maiores quando submetidas a um redimensionamento da forma. O processo de

recozimento com indução resultou, como era esperado, numa diminuição sensível das

resistências ao fluxo magnético e agora aliadas a uma nova forma, produziram resultados

ainda mais satisfatórios. A figura 41 mostra a peça inicial fabricada com Aço SAE 1020

(usinada), a figura 42 a modificada produzida em FoFo e a figura 43, também em FoFo, mas

com o novo formato.

Figura 41 – Peça Polar Antiga / Aço SAE 1020

Fonte: Desenho AutoCAD / Eletrônica Selenium S.A.

Figura 42 – Peça Polar Nova L1 Ferro Fundido Nodular

Fonte: Foto realizada pelo autor no LdSM/UFRGS.

Figura 43 – Peça Polar L1/FoFo “Novo Formato”

Fonte: Desenho AutoCAD / Eletrônica Selenium S.A., 2007.

O redimensionamento das peças, conforme mostrado acima, foi realizado utilizando-se

os software FLUX 2D desenvolvido pelo Cedrat Group e o FEMM 4.2 desenvolvido pela

Foster-Miller Inc., que consiste em simular conjuntos magnéticos existentes em produtos de

linha, e após compará-los com os resultados obtidos nas medições físicas destes Conjuntos

Magnéticos. A propriedade medida nestes testes é a Densidade de Fluxo Magnético (medido

em Gauss) existente no GAP, que é o espaço entre a “Peça Polar” em FoFo e a “Ferrite”

(Imã), ou seja, identifica quantas linhas de campo magnético estão passando na região do

GAP, pois elas são proporcionais à força que impulsionará o cone do Alto-Falante e quanto

maior a Densidade de Campo Magnético no GAP maior a Força Mecânica e maior a Pressão

Sonora. Para realizar estas medições utiliza-se um Gaussmeter, dispositivo eletrônico que

mede a Densidade de Fluxo Magnético que passa por uma determinada região.

4.2.1 Composição Química

A análise de composição química por espectroscopia de emissão ótica realizada nas

amostras selecionadas para este trabalho é apresentada na tabela 5. Nesta tabela são indicados

os teores de carbono, silício, manganês e fósforo, elementos presentes em maior percentual

neste tipo de Ferro Fundido, com base na ASTM E 30 – 95 (AMERICAN SOCIETY FOR

TESTING AND MATERIALS, 1995f). Os valores apresentados para cada composição

química das ligas L1, L2 e L3, são os resultados obtidos na Espectroscopia de Emissão Ótica

de cada amostra “coquilhada”, de um mesmo lote de fundição de (30) trinta peças, referente

às ligas L1, L2 e L3. A precisão relativa das medições realizadas foram de 3%, dados

fornecidos pelo espectrômetro utilizado no LAMEF da UFRGS.

Tabela 5 – Composição Química Percentual das Amostras, com Teores de Carbono,

Silício, Manganês e Fósforo

LIGA %C %Si %P %Mn

2,67 3,00 0,08 0,34

2,82 3,20 0,05 0,32

3,68 6,00 0,09 0,30

Fonte: Espectrômetro de Emissão Ótica / Lamef (Lab. Metalurgia Física/UFRGS).

4.2.2 Metalografia

As figuras 44, 45 e 46 mostram a micrografia representativa da microestrutura

encontrada nas ligas de FoFo Nodular L1 e na liga de Aço SAE 1020 utilizados neste estudo.

Estas micrografias foram obtidas a partir do preparo metalográfico de uma amostra com

ataque de Nital 2% com aumento 100X. A grafita esferoidal apresentou tamanhos V e VII

com quantidade de nódulos de 100/mm² e uma matriz ferrítica.

Figura 44 – Micrografia de uma Amostra “FoFo Nodular L1” com Ataque de Nital 2% Aumento 100x

Fonte: LACAR – Laboratório de Caracterização / UFRGS.

Figura 45 – Micrografia de uma Amostra “FoFo Nodular L1 Recozido” com Ataque de Nital 2% Aumento 100x

Fonte: LACAR – Laboratório de Caracterização / UFRGS.

Figura 46 – Micrografia do Aço SAE 1020 com Ataque de Nital 2% Aumento 100x

Fonte: LACAR – Laboratório de Caracterização / UFRGS.

4.3 CARACTERIZAÇÃO DAS PEÇAS QUE SOFRERAM O PROCESSO DE

RECOZIMENTO COM INDUÇÃO MAGNÉTICA QUANTO A SUA USINABILIDADE

Na liga L1 foram usados os parâmetros de corte normais, ou seja, os mesmos

utilizados para o aço SAE 1020, não ocorrendo qualquer tipo de problema, tanto no que se

refere a velocidade de corte como na qualidade do seu acabamento superficial.

Já para a liga L2 foram alterados os parâmetros de corte, pois as peças apresentaram

uma periferia muito dura dificultando a usinagem e reduzindo a produtividade o processo.

Para a liga L3 também utilizou-se os mesmos parâmetros que a liga L2, já que também

apresentava uma superfície muito dura.

A tabela 6 apresenta os parâmetros de usinagem utilizados e mostra que a Liga L1 foi

a que apresentou a melhor opção de uso em substituição ao aço SAE 1020.

Tabela 6 – Parâmetros de Usinagem Utilizados para as Ligas L1, L2 e L3

LIGA FoFo

Velocidade de

Corte

m/min

Profundidade de

Corte mm

Avanço

m/min

310 0,8 – 2,00 0,2- 0,25

220 0,8 – 2,00 0,15

250 0,8 – 2,00 0,10

Fonte: Eletrônica Selenium S.A.(Depto. Engenharia de Processos/Usinagem).

4.4 SIMULAÇÃO DAS PEÇAS QUE SOFRERAM O PROCESSO DE RECOZIMENTO

COM INDUÇÃO MAGNÉTICA

A partir destes ensaios realizados os dados característicos de cada material foram

inseridos no software FLUX 2D FEEMM 4.2 (Método de Análise dos Elementos Finitos

aplicados ao Magnetismo) Foster-Miller Inc de propriedade da Eletrônica Selenium S.A..

Após, iniciou-se o processo de simulações utilizando o Método de Análise de Elementos

Finitos (APÊNDICE A).

Uma das questões mais importante neste trabalho foi à matéria-prima utilizada, ou

seja, a substituição do Aço SAE 1020 que necessitava várias etapas durante o processo até

chegar ao produto final. O Ferro Fundido veio como uma alternativa a fim de reduzir este

custo de fabricação, levando-se em conta que etapas seriam eliminadas e as propriedades

magnéticas mantidas, seria sem dúvidas uma boa alternativa. O Produto escolhido para a

realização destes testes foi o woofer modelo WPU1507, produto profissional com grande

aceitação no mercado e custo de fabricação relativamente alto. Este woofer possui uma

densidade de fluxo magnético no “GAP” de 10600 gauss. Esta é a característica mais

importante deste trabalho, a alteração de material deve manter a densidade de fluxo, pois

impacta fortemente no desempenho do produto.

O primeiro passo foi simular o conjunto magnético do WPU1507 em seu formato atual

e com seu material original conforme figura 47, e determinar qual a densidade de fluxo

magnético no “GAP”. Na simulação chegou-se ao valor de 10500 gauss, muito próximo do

valor da peça real.

Aço 1020(Arruela)

Ferrite

PeçaPolar (Entre-ferro e ArruelaFechada)

Aço 1020(Entre

Ferro)

Aço 1020(Arruela Fechada)

Figura 47 – Simulação do Conjunto Magnético Atual em Aço SAE 1020 do Woofer WPU1507

Fonte: Lab. Teste Magnético da Eletrônica Selenium S.A.

Após criou-se o primeiro protótipo virtual, onde o formato do conjunto magnético é o

mesmo e apenas o material foi alterado conforme figura 48. Para o primeiro protótipo

utilizou-se a liga L1.

Aço 1020(Arruela)

Ferrite

FoFo L1(Peça Polar)

FoFo L1

Figura 48 – Simulação do Conjunto Magnético Utilizando a Liga L1, sem Alteração no Formato da Peça

Fonte: Lab. Teste Magnético da Eletrônica Selenium S.A.

Utilizando a liga L1 sem alteração no formato da peça chegou-se a 10100 gauss.

As simulações procederam-se alterando o formato da peça a fim de se obter uma

otimização do fluxo do campo magnético. A Arruela de Ferro Fechada e o Entre-Ferro do

conjunto magnético, ambos em Aço SAE 1020, foram substituídos por uma única peça

chamada “Peça Polar”, sendo esta fabricada totalmente em Ferro Fundido. Após diversas

simulações encontrou-se o formato ideal e com o menor peso para a Peça Polar e que também

favorecesse a passagem de fluxo magnético, conforme figura 49.

Aço 1020

Ferrite

FoFo L1(Peça Polar)

FoFo L1

Figura 49 – Simulação do Melhor Formato de Peça Polar utilizando a Liga L1

Fonte: Lab. Teste Magnético da Eletrônica Selenium S.A.

Com este formato e utilizando a liga L1 obteve-se 10800 gauss de densidade de fluxo

de campo magnético.

Sabendo qual o melhor formato para a Peça Polar precisou-se determinar qual o

melhor material a se utilizar. Com este mesmo formato de peça foram testados os materiais

L2 e L3 conforme figuras 50 e 51.

Aço 1020

Ferrite

FoFo L2(Peça Polar)

FoFo L2

Figura 50 – Simulação do Conjunto Magnético utilizando Liga L2 e Novo Formato de Peça

Fonte: Lab. Teste Magnético da Eletrônica Selenium S.A.

Aço 1020

Ferrite

FoFo L3(Peça Polar)

FoFo L3

Figura 51 – Simulação do Conjunto Magnético utilizando Liga L3 e Novo Formato de Peça

Fonte: Lab. Teste Magnético da Eletrônica Selenium S.A.

Com estes dados foi gerada uma tabela com os materiais e as densidades de fluxo

obtido. Estes dados são apresentados no quadro 2.

Peças Densidade de Fluxo (em Gauss)

Peça com formato original com Liga L1 10100

Peça com formato original com Liga L2 9980

Peça com formato original com Liga L3 9900

Peça com novo formato com Liga L1 10800

Peça com novo formato com Liga L2 10670

Peça com novo formato com Liga L3 10580

AÇO 1020 10500

Quadro 2 – Ligas com sua Densidade de Fluxo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Assim conclui-se que o melhor formato e material a ser empregado é a liga FoFo L1.

Para poder validar as simulações realizadas foram confeccionados protótipos físicos

das peças simuladas.

4.5 DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPOS

Foram feitos 10 protótipos de cada material, totalizando 30 peças. Para validação das

simulações também foram confeccionados protótipos físicos, ou seja, alto-falantes foram

montados para testes acústicos, num total de (03) três conjuntos de (10) dez alto-falantes.

As peças foram fundidas na Fundição Dueville, empresa de Caxias do Sul com

parceria de longa data, utilizando as ligas L1, L2 e L3. Posteriormente os dados foram

processados usando o Método de Análise por Elementos Finitos FEMM 4.2, podendo assim

ser validado e utilizado em futuros projetos.

As peças fundidas foram enviadas para a Selenium e usinadas em tornos CNC, onde

receberam o devido acabamento e o tratamento superficial.

Com as peças fornecidas os (30) trinta conjuntos magnéticos do woofer WPU1507

foram produzidos.

4.5.1 Testes e Validação das Simulações

Após foram realizados os testes de Densidade de Fluxo de Campo Magnético nestes

30 conjuntos magnéticos, utilizando para isso o Gaussmeter Magnetic Field Strength Meter

Gaussmeter/Teslameter FH 54.

Com estes conjuntos magnéticos foram montados (30) trinta protótipos do produto

final, ou seja, foram construídos (30) trinta woofers WPU1507, só alterando o conjunto

magnético em relação á peça original.

Com estes protótipos finais foram traçadas as Curvas de Resposta de cada peça e

comparadas com a Curva de Resposta da peça original.

Como resultado comprovou-se as análises de Seleção de Materiais na escolha da liga

L1 para substituir o Aço 1020 atualmente empregado. A figura 52, mostra à Curva de

Resposta de três protótipos WPU1507 utilizando a liga L1, L2 e L3 comparando com o

WPU1507 original.

Figura 52 – Curva de Resposta Comparativa com Protótipos WPU1507-L1/L2/L3 e WPU1507 Atual

Fonte: Laboratório de Teste Magnético da Eletrônica Selenium S.A.

Um teste acústico foi realizado comparando um woofer utilizando a liga L1 (liga

selecionada) contra um woofer original. Este teste consistiu em aplicar o mesmo sinal musical

para cada woofer, e assim, comparar a diferença sonora entre eles. Participaram deste teste os

audiófilos da Selenium, com larga experiência neste tipo de comparação.

O resultado foi considerado excelente, onde não foi detectada auditivamente nenhuma

diferença entre a mesma música tocada no woofer original e no woofer utilizando Ferro

Fundido composto pela liga L1 com o seu novo formato. As peças L2 e L3, também com sua

nova forma, apresentaram um desempenho muito similar ao original, perdendo apenas em

eficiência, para a liga L1. O desempenho positivo foi esperado, uma vez que a análise da

Curva de Resposta já havia sido realizada com resultado dentro do especificado pelo projeto

do woofer WPU1507.

A cerca das observações feitas no decorrer desta pesquisa, é possível ressaltar fatores

importantes na aplicação deste processo para melhorar significativamente as propriedades

magnéticas do Ferro Fundido Nodular:

O recozimento com aplicação de campo induzido nas ligas de ferro fundido produziu

alterações na estrutura do material que viabilizaram uma melhora significativa na

permeabilidade magnética do conjunto magnético. Também é apropriado colocar que a

seleção dos materiais envolvidos no processo de fundição foi fator determinante, uma vez que

elementos de liga, não magnetizáveis, foram excluídos ao máximo do processo.

O recozimento sem aplicação de campo magnético a 900-920ºC, com resfriamento

lento ao forno, gera uma estrutura ferrítica extremamente homogênea e com grãos de grafita

bem localizados, como mostrado na figura 44 (PAOLINELLI, 2004).

Também a mudança na forma da peça polar, facilitou o fluxo magnético, fator

determinante na validação dos resultados. É possível verificar as linhas de fluxo representadas

nos gráficos fornecidos pelo software FLUX 2D FEMM 4.2. e os resultados de Densidade de

Fluxo medido em Gauss, mostrado no quadro 2.

Um dos “Métodos de Elementos Finitos” utiliza o software FLUX 2D FEMM 4.2 que

é uma ferramenta fundamental para as análises de Densidade de Fluxo Magnético,

propiciando modificações de projeto significativas, como no caso específico, mudanças no

design da peça polar (formato do núcleo magnético). O método consiste numa adaptação para

soluções de equações diferenciais tal como “Equações de Poisson e Laplace”.

Devido as suas características de flexibilidade e estabilidade numérica, o método pode

ser utilizado em sistemas computacionais como é o caso da distribuição de temperaturas e o

eletromagnetismo. Em muitos casos o FEMM é a única ferramenta que pode fornecer uma

solução adequada, mesmo que seja uma aproximação. Os fenômenos do eletromagnetismo

são resolvidos através das “Equações de Maxwell” e apresentadas na sua forma diferencial,

mas dificilmente são solucionadas na forma em que são colocadas, pois implica em encontrar

uma solução (analítica ou numérica) para várias equações simultaneamente. Desta forma,

costuma-se solucionar uma equação equivalente, a qual decorra das demais, para tanto

introduz-se uma grandeza vetorial auxiliar chamada de “Potencial Vetor”, o qual em princípio

não tem um significado físico, apenas colabora para termos uma solução através de um meio

computacional (numérico).

4.6 CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA DAS AMOSTRAS TRATADAS

O fato das amostras nas quais foi aplicado o processo de recozimento com indução

magnética terem sofrido mudanças na microestrutura, pode ser explicado pela semelhança

entre o processo de recozimento e o tratamento térmico na qual o material é submetido

durante o processo de laminação, onde o material é resfriado ao ar no decorrer dos passes da

transformação mecânica, como é o caso, das chapas laminadas para transformadores

(PAOLINELLI, 2004).

Apesar da impossibilidade em se obter uma estrutura totalmente ferrítica nos Ferros

Fundidos Nodulares, sem o tratamento de recozimento, nos aços de baixo carbono consegue-

se alcançar este objetivo facilmente, ou seja, em chapas finas para uso em transformadores

isto quase sempre ocorre com sucesso. Estes resultados se devem à obtenção da estrutura

formada por grãos aciculares de ferrita bem distribuídos ao logo da chapa. O recozimento com

indução favorece ainda mais este objetivo, já que os domínios magnéticos passam a serem

orientados.

O tratamento de recozimento obteve grandes modificações nas propriedades

magnéticas do material, o que facilitou a análise dos resultados dos ensaios de permeabilidade

magnética.

4.7 CORRELAÇÃO ENTRE PERMEABILIDADE E CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICO-

METALÚRGICAS

No quadro 2, pode-se observar que as mudanças no formato da peça polar

proporcionaram ganhos importantes de Densidade de Fluxo, tanto quanto no tratamento

térmico, e por estarem atuando simultaneamente atingiram a meta para a substituição da liga

de aço SAE 1020, como mostrado nas tabelas 3, 4, 5 e 6.

Quanto ao efeito das variações de composição química entre as amostras analisadas,

para os teores dos elementos e para o teor de carbono permite atribuir à variação da

composição química uma grande influência nos resultados de permeabilidade magnética. De

fato, a composição química das amostras obtidas de FoFo baseado na norma ASTM A 536

(AMERICAN SOCIET FOR TESTING AND MATERIALS, 1988a), A 247 (AMERICAN

SOCIET FOR TESTING AND MATERIALS, 1995a), E 30 (AMERICAN SOCIET FOR

TESTING AND MATERIALS, 1995f) e E 59 (AMERICAN SOCIET FOR TESTING AND

MATERIALS, 1988c), possuem um controle mais rígido.

O experimento mostra que durante o processo de recozimento a anisotropia da

estrutura diminui, Shokrollahi e Janghorban (2007), e á medida que a temperatura de

recozimento avança, se aproximando de 550ºC por 1 hora, a estrutura apresenta um tamanho

de grão médio menor que 50

m diminuindo as perdas magnéticas. As perdas já são

conhecidas, podem ser por histerese, correntes parasitas e anômalas. As perdas por histerese

são as que dificultam em muito o movimento dos domínios magnéticos, desta forma uma boa

seleção do material utilizado no ferro fundido auxilia a compactação e conseqüentemente uma

melhora na permeabilidade magnética.

O recozimento feito em etapas, mostra que a purificação da estrutura do FoFo nodular

é determinante, visto que o controle do resfriamento é um fator determinante e permite, de

uma forma mais segura, fazer com que os seus domínios magnéticos permaneçam orientados.

4.8 CORRELAÇÃO ENTRE CURVA DE RESPOSTA E CARACTERÍSTICAS

MAGNÉTICAS-METALÚRGICAS

Com relação às Curvas de Resposta, podemos observar que todas as ligas

desenvolvidas apresentaram desempenho dentro das especificações de projeto para o woofer

WPU1507. Cabe colocar que nas faixas de freqüência entre 10

- 10

(Hz) o desempenho das

ligas L1, L2, e L3, como do Aço 1020, também é similar fazendo seu uso preferencialmente

nas baixas freqüências.

Nas baixas freqüências, até 10

(Hz), todas as ligas apresentam uma mesma Curva de

Resposta, ou seja, todos os conjuntos magnéticos podem ser construídos com qualquer uma

das ligas, L1, L2 e L3, pois a densidade magnética apresentada anteriormente mostra um

perfil das linhas de fluxo magnético muito similar.

5 CONCLUSÕES

Este trabalho estuda a possibilidade do uso da indução magnética durante o

recozimento do Ferro Fundido Nodular, a fim de obter um aumento na sua permeabilidade

magnética viabilizando seu uso em substituição ao Aço SAE 1020 dentro dos núcleos

magnéticos dos alto-falantes. A confirmação das propriedades deste material, como bom

condutor e de alta permeabilidade, propiciou o interesse no uso do ferro fundido nodular

como um bom substituto ao Aço 1020 usinado.

Os resultados obtidos no decorrer deste trabalho permitem concluir que varias etapas

foram seguidas obedecendo-se rigorosas medidas de controle. Um dos resultados mais

significativos foi relativo á composição da liga, ou seja, o quanto cada elemento impactou na

resposta magnética do equipamento em questão, no caso o alto-falante. Testes foram

realizados observando-se as propriedades magnéticas, mas também as respostas em relação á

percepção acústica e a qualidade sonora que o equipamento apresentava.

Foram importantes os resultados que as diversas composições de liga obtiveram, em

especial a liga L1, pois quando submetida ao processo de recozimento com indução

magnética (RIM) e com sua forma modificada, o woofer WPU1507 mostrou um grande

desempenho. As ligas L2 e L3 sem alterações no formato não demonstraram condições de

substituição do núcleo original, mas quando tiveram a alteração implementada, também

mostraram-se eficientes. A liga L1, tendo obtido resultados de campo magnético superiores,

tornou-se a melhor opção para utilização no conjunto magnético.

Outro trabalho importante na seleção dos materiais, para os núcleos magnéticos,

voltou-se para a eliminação dos materiais não magnetizáveis, ou seja, aqueles que se

tornavam uma barreira magnética e um impedimento ao alinhamento dos domínios. Isto

torna-se claro quando estudamos a teoria dos domínios magnéticos, onde elementos não

magnetizáveis tornam-se verdadeiras barreiras de fronteira. Também importante no sucesso

do projeto foram os assuntos pertinentes da fundição, onde as questões como velocidade de

resfriamento e demais variáveis fundamentais a este processo sofreram um controle rigoroso.

Foi possível concluir quando as análises metalográficas mostraram os nódulos de grafita e a

matriz ferrítica bem delineados.

O Recozimento ofereceu um ganho considerável na Permeabilidade Magnética,

quando olhamos a mudança de uma estrutura perlítica para uma totalmente ferrítica, do FoFo

Nodular, isto devido ao aquecimento entre as faixas de temperatura até aproximadamente

770ºC, ou seja, próximo ao “Ponto Curie”. Nesta faixa de temperatura observou-se um

aumento da indução magnética “B” e uma diminuição da força magnética “H”, informações

estas específicas do desenvolvimento do projeto. Após a temperatura de 770ºC até 910ºC,

observou-se uma queda na indução magnética “B”, completando-se, então, a etapa final do

processo com um resfriamento lento.

Considerando que a Norma ASTM A 596/596M – 95 determina um método padrão

para análise de permeabilidade e saturação magnética, conseqüentemente de suas perdas,

concluí-se que é possível analisar com precisão e validar os resultados obtidos neste trabalho

(AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 1995b). O melhor indicador

da performance de um material elétrico são os valores de suas perdas, em especial as perdas

por histerese, pois corresponde a mais de 50% em muitos casos. Para o usuário final o que

interessa são as perdas totais, mas para pesquisadores o que interessa, e muito, é o

processamento com suas implicações e as mudanças geradas na estrutura do material.

Também é importante inferir que não existe um modelo fixo para determinação destas perdas,

mas diversas modelagens utilizam o “Método de Elementos Finitos” como o melhor caminho.

A influência da estrutura cristalina nas propriedades magnéticas é melhor avaliada

quando realizamos os testes de medição da Densidade de Fluxo Magnético, pois os planos

cristalinos que favorecem a passagem do fluxo magnético, no caso do ferro, é o plano {110}

paralelo à superfície e a direção <001> paralela a direção longitudinal do material. O processo

de Indução Magnética é uma ferramenta importante para propiciar o alinhamento dos

domínios magnéticos, como é também uma ferramenta poderosa nos processos de laminação

de chapas recozidas para transformadores.

O processo de fundição reduziu os custos de fabricação dos conjuntos magnéticos,

pois eliminou os processos de usinagem profunda que eram realizados anteriormente, ficando

apenas os processos finais de acabamento.

A modificação na forma da peça polar trouxe ganhos técnicos e também econômicos,

estes na faixa de 40% (quarenta por cento), como a redução de peso e o aumento do

desempenho do alto-falante. No que diz respeito aos ganhos técnicos, é possível analisar as

linhas de fluxo em todas as ligas e concluir que a permeabilidade apresenta ganhos

significativos, visto que a concentração do campo magnético proporcionou um aumento no

desempenho dos alto-falantes. Outro ponto também avaliado foram as observações realizadas

por audiófilos especializados, que participaram dos testes de percepção sonora numa sala de

som, conforme exemplo mostrado na figura 53. Cabe salientar que o teste, além dos próprios

resultados obtidos pelo alto-falante com núcleo de FoFo, teve o comparativo acústico

simultâneo com o mesmo alto-falante com núcleo em Aço SAE 1020. As observações feitas

pelos audiófilos mostram uma preferência pelo modelo em FoFo, ou seja, sem terem a

informação de qual modelo era feito em FoFo, indicaram o mesmo como o sendo o de melhor

desempenho. Estas conclusões, feitas por estes especialistas em som, validaram

definitivamente o sucesso do trabalho. Foi sugerido que se estendessem os estudos, para

aplicação em outros modelos, a fim de avaliar o desempenho em outras faixas de freqüência.

Este trabalho mostrou ser possível a utilização do processo de Recozimento com

Indução Magnética (RIM), para melhorar significativamente as propriedades magnéticas de

FoFos, uma vez que outras possibilidades para o seu uso são cogitadas e também são

apresentadas como “Sugestões para Futuros Trabalhos”.

Figura 53 – Sala de Som

Fonte: Áudio Amateur Inc., 2007

6 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS

utilização do equipamento de RIM para desenvolvimento e seleção de materiais

ferromagnéticos de alta performance;

pesquisa sobre as relações da forma do núcleo magnético com o alinhamento dos

domínios através do RIM;

continuar pesquisa sobre a influência da forma na percepção acústica em alto-

falantes;

estudo sobre o comportamento dos domínios magnéticos do ferro, quando estes

são submetidos a um aumento de temperatura acima do “Ponto Curie” e a altas

induções magnéticas;

desenvolvimento de processos com o RIM, utilizando pó de ferro encapsulado

visando diminuição de perdas magnéticas e possibilitando, assim, o seu uso na

construção de máquinas elétricas mais eficientes;

pesquisa sobre o rendimento elétrico de motores quando seus núcleos magnéticos

são submetidos ao processo de RIM.

pesquisa sobre a relação de fatores intangíveis da Seleção de Materiais comparado

a fatores objetivos de Seleção ( Sound Design, Percepção e Materiais)

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APÊNDICE A – MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS APLICADOS AO

ELETROMAGNETISMO

Método dos Elementos Finitos Aplicados ao Eletromagnetismo

O FEMM tem o início da sua utilização na década de 40, mas a sua utilização vem

sendo observada, com mais força, nos últimos anos.

Ele é um método matemático que soluciona equações diferenciais parciais como

equações de Paisson e Laplace que possuem uma característica peculiar pela flexibilidade e

fácil adaptação a sistemas computacionais. É um método e uma ferramenta capaz de

solucionar com uma excelente aproximação problemas nas diversas áreas da engenharia como

é o caso do eletromagnetismo.

As equações de Maxwell regem os fenômenos no eletromagnetismo e são apresentadas

abaixo:

∂

−=∇

→

; (1)

→

∂

=∇ S

; (2)

0=•∇

→

; (3)

=•∇

→

D . (4)

→

- Intensidade do campo elétrico (grandeza vetorial)

→

- Intensidade do campo magnético (grandeza vetorial)

______________

Elaborado pelo autor com base em: PEREIRA, 2000.

→

D- Densidade de campo elétrico (indução elétrica, grandeza vetorial)

→

- Densidade de campo magnético (indução magnética, grandeza vetorial)

→

- Densidade superficial de corrente elétrica (grandeza vetorial)

= Densidade volumétrica de cargas (escalar).

Nas expressões anteriores,

∇

representa o operador “Nabla”, dada pela relação de

coordenadas cartesianas:

→

→→

∂

=∇ k

(5)

Onde

são os vetores unitários nas direções x, z e y respectivamente e

→→

ji, e

→

∇

x e

•(rotacional e divergente).

∇

Logo

é um operador vetorial, podendo ser obtido através do produto vetorial e

escalar onde ele for utilizado.

∇

No caso entre intensidades e densidades de campo elétrico/magnético, para materiais

isotrópicos lineares.

→→

= HB .

; (6)

→

= ED .

; (7)

→→

= ES .

. (8)

- permeabilidade magnética,

- permissividade elétrica e

- condutividade

elétrica, são grandezas escalares (constantes) para materiais isotrópicos lineares.

Para o caso de fenômenos estáticos, as equações (1) – (4) se reduzem a seguinte

forma:

∇

x ; (9)

→

∇

x ; (10)

→→

= SH

•∇

→

B ; (11)

•∇

→

E . (12)

As equações (6)-(8) seguem válidas. Neste caso existe uma independência entre o

campo elétrico e o campo magnético. Para o estudo de campos magnéticos estáticos, os quais

serão abordados mais adiante pelo método dos elementos finitos, necessita-se considerar

apenas as seguintes equações:

∇

x ; (13)

→→

= SH

∇

• ; (14) 0=

→

→→

= HB .

(15)

As equações acima são as equações fundamentais da magnetostática. Para a derivação

do Método dos Elementos Finitos ainda é utilizado o Teorema de Green no Plano, o qual

estabelece que para duas funções u(x,y) e v(x,y) vale a relação:

∫∫∫ ∫∫

∇+∇∇−=∇

)(

).,().,().,().,().,().,(

ALAA

dlyxvyxudAyxvyxudAyxvyxu

. (16)

As equações de Maxwell são raramente solucionadas na forma em que estão colocadas

nas expressões (13) a (16), pois implicaria encontrar uma solução (analítica ou numérica) que

satisfaça três equações simultaneamente, o que torna o processo de solução em geral mais

difícil, sobretudo quando se procura uma solução numérica aproximada. Neste caso, torna-se

mais difícil encontrar parâmetros para a solução que satisfaçam simultaneamente três

equações segundo um determinado critério de otimização.

Desta forma, costuma-se solucionar uma equação equivalente, a qual decorre das três

equações citadas. Para tanto, introduz-se uma grandeza vetorial auxiliar chamada de

"Potencial Vetor", o qual em princípio não possui um significado físico, servindo apenas para

facilitar a solução numérica. O potencial vetor A é definido de tal forma que a indução B seja

obtida por meio do seu rotacional:

∇

→→

A . (17)

De acordo com a equação 17, a indução magnética

→

é obtida através da derivação do

potencial, logo o potencial vetor será:

∇

• . (18)

→

Assim tem-se a equação de Poissson:

∇

x .

(19)

→→

−= SA .

Quando

, temos a equação de Laplace:

→

∇

x . (20)

→

A equação acima pode ser escrita como

, conhecida como operador

Laplaciano e pode resolver problemas de contorno e potencial conforme equação abaixo,

utilizando o “Método dos Elementos Finitos Aplicados ao Magnetismo”:

=∇ A

σσ

−=+

∂

. (21)

Figura 1: Fenômeno de Magnetostática.

A figura 1 mostra um exemplo de fenômenos eletromagnéticos com domínio Ω onde a

solução é procurada na fronteira “n” e limitada por um contorno retangular Γ em torno da

estrutura magnética. Também mostra as regiões em que circula corrente (S diferente de zero)

e por outro lado, onde não existe corrente (S igual a zero), valendo assim a equação de

Laplace.

Após estas considerações segue-se definindo as condições de contorno e a

discretização dos domínios, ou também conhecido como subdivisão de domínios. Esta

subdivisão de domínios também é chamada de “elementos” que posteriormente formam seus

respectivos triângulos. Cada “vértice” com seus elementos fornecem os pontos, “nós” que

alimentam o Método dos Elementos Finitos.

As figuras 2 e 3, mostram um exemplo de distribuição de campo magnético através de

suas linhas de fluxo e sua representação discretizada.

100

Figura 2: Distribuição de Campo Magnético.

Figura 3: Representação Discretizada do Campo Magnético (malha).

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