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EDSON SOUZA DE ALENCAR
ANÁLISE DE DISTORÇÕES DIMENSIONAIS EM ANÉIS DE
ROLAMENTO NO TRATAMENTO TÉRMICO EM
FORNOS DE ESTEIRA CONTÍNUOS
SÃO PAULO
2009
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ii
EDSON SOUZA DE ALENCAR
ANÁLISE DE DISTORÇÕES DIMENSIONAIS EM ANÉIS DE
ROLAMENTO NO TRATAMENTO TÉRMICO EM FORNOS
DE ESTEIRA CONTÍNUOS
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção
do título de Mestre em Engenharia
Área de Concentração:
Engenharia Automotiva
(Mestrado Profissionalizante)
Orientador:
Prof. Dr. Arlindo Tribess
SÃO PAULO
2009
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iii
FICHA CATALOGRÁFICA
Alencar, Edson Souza de
Análise de distorções dimensionais em anéis de rolamento
no tratamento térmico em fornos de esteira contínuos / E.S. de
Alencar. -- São Paulo, 2009.
62 p.
Trabalho de conclusão de curso (Mestrado Profissional em
Engenharia Automotiva) - Escola Politécnica da Universidade de
São Paulo.
1. Tratamento térmico (Processos) 2. Rolamentos I. Universi-
dade de São Paulo. Escola Politécnica II. t.
iv
Aos meus pais,
Às minhas irmãs,
A todos os colegas,
Muito obrigado.
v
AGRADECIMENTOS
Ao orientador, Prof. Dr. Arlindo Tribess, pela dedicação e capacidade de me
sensibilizar a ver possibilidades diferentes durante a formulação deste trabalho.
Aos amigos da NSK BRASIL LTDA, especialmente aos Srs. Osmar N.
Hayashi, Anderson V. Lorenzeto e Enio Tsuchiya pela colaboração durante o
trabalho.
A todas as pessoas que passaram pela minha vida, as quais direta ou
indiretamente possuem participação na possibilidade de chegar até aqui e
vislumbrar sempre novas chances.
vi
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTAS DE TABELAS
RESUMO
ABSTRACT
1. INTRODUÇÃO 1
1.1 Motivação do trabalho. 4
1.2 Objetivos e objeto de estudo 4
1.3 Estrutura do trabalho. 5
2. TRATAMENTO TÉRMICO E DISTORÇÃO DIMENSIONAL 6
2.1 Histórico da utilização de metais e tratamentos térmicos 6
2.2 Particularidades do aço 7
2.3 Principais propriedades do aço 13
2.4 Tratamento térmico de materiais 13
2.5 Influência da matéria-prima na distorção dimensional 15
2.6 A interferência do processo de produção de rolamentos na distorção
dimensional
16
2.6.1 Formatação dos anéis
16
2.6.2 Influência do tratamento térmico na distorção dimensional
16
3. Distorção dimensional e seus impactos no processo produtivo
19
3.1 Distorção dimensional e impacto na produtividade. 19
3.2 Distorção em anéis de rolamento em resfriamentos a óleo. 20
vii
3.3 Foco deste trabalho na intervenção do efeito de distorção
dimensional.
22
4. Transmissão de calor no tratamento térmico 23
4.1 O processo de troca de calor no resfriamento no tratamento térmico
em fornos contínuos de esteiras
23
4.2 A importância do óleo no processo de troca de calor 27
5. Testes em laboratório 32
5.1 Determinação da diferença de temperatura em regiões da mesma
peça
32
5.1.1 Preparação das peças para a realização dos testes 32
5.1.2 Dispositivos utilizados para o estudo da variação de temperatura
nas peças
33
5.1.3 Procedimento para determinação de diferenças de temperatura nas
peças
34
5.2 Efetuação do teste com a inversão da face de resfriamento 38
6. RESULTADO DOS TESTES PRELIMINARES 40
6.1 Resultado do teste em laboratório com resfriamento convencional 40
6.2 Resultado do teste em laboratório com inversão durante o
resfriamento
44
6.3 Comparativo da distorção dimensional nos anéis 46
7. TESTES REALIZADOS 52
7.1 Descrição dos equipamentos de tratamento térmico em fornos
contínuos
52
7.2 Resultados da distorção dimensional para o processo convencional 55
7.3 Resultados da distorção dimensional para o processo com inversão
das faces
56
7.4 Comparativo dos resultados dos processos convencional e com
inversão das faces dos anéis.
57
8. CONCLUSÕES 59
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 61
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Processo de tratamento térmico em fornos continuos 2
Figura 1.2 Tipos de distorção 3
Figura 2.1 Estruturas em função da temperatura e material,
(Magnabosco R.,2007).
7
Figura 2.2 Estruturas cúbica de corpo centrado, (Magnabosco
R.,2007).
8
Figura 2.3 Estruturas cúbica de face centrada, (Magnabosco R.,2007).
8
Figura 2.4 Solutos interstiviais do ferro 9
Figura 2.5 Solutos intersticiais, (Magnabosco R.,2007). 9
Figura 2.6 Movimentação atômica pelas lacunas, (Magnabosco
R.,2007)
10
Figura 2.7 Movimentação intersticial por difusão 10
Figura 2.8 Croqui demonstrativo de discordâncias no material,
(Magnabosco R.,2007)
11
Figura 2.9 Movimentação da discordância dentro do grão, até a
ocorrência de deformação plástica, (Magnabosco R.,2007)
11
Figura 2.10 Grãos observados em análise metalográfica 12
Figura 2.11 Esquematização de um processo de traaatamento térmico
para anéis de rolamento em fornos contínuos ( Felippe et
al.2006).
14
Figura 2.12 Interferência do fluxo de óleo na distorção dimensional do
produto (Microquímica, 2002)
17
Figura 2.13 Curvas demonstrativas de variação de
estruturas(Microquímica, 2002)
18
Figura 3.1 Acréscimo de material para correção das distorções
dimensionais.
20
Figura 4.1
Ilustração do movimento dos anéis e da troca de calor de
resfriamento com o
22
Figura 4.2
Ilustração da troca de calor da peça com o fluxo de óleo e a
tela da esteira
23
Figura 4.3
Gráfico CCT – Cast Cooling Transformation
(Microquímica,
2002)
27
Figura 4.4 Taxas de resfriamento –
curvas distintas de óleos,
(Microquímica, 2002)
28
Figura 4.5
Taxas de resfriamento –
curvas distintas de óleos
distintas, (Microquímica, 2002)
29
ix
Figura 4.6
Fases de resfriamento em função da troca de calor da peça
com o óleo
30
Figura 4.7
Etapas da troca de calor do óleo com a peça, (Totten e
Lally, 1992).
31
Figura 5.1
Anel com termopares para verificação do comportamento
da temperatura em regiões diferentes da mesma peça.
33
Figura 5.2 Preparação dos furos no anel para inserção de termopares
34
Figura 5.3 Inserção dos termopares no anel. 35
Figura 5.4 Registrador de temperaturas. 35
Figura 5.5 Estabilização da temperatura do forno. 36
Figura 5.6 Inserção das peças, juntamente com os termopares, no
forno.
36
Figura 5.7
Forno fechado, mostrando os fios dos termopares.
37
Figura 5.8
Inserção das peças no óleo.
37
Figura 5.9
Demonstração da inversão das faces de apoio.
38
Figura 6.1
Diferenças de temperatura em regiões diferentes do anel no
resfriamento – teste de laboratório.
41
Figura 6.2
Projeção para redução da diferença de temperatura
43
Figura 6.3
Projeção para redução da diferença de temperatura com
inversão.
45
Figura 6.4 Análise gráfica da distorção no processo convencional em
laboratório.
50
Figura 6.5 Análise gráfica da distorção no processo com inversão em
laboratório.
50
Figura 7.1
Dispositivo para coletar peças do óleo
53
Figura 7.2 Barra de sustentação e cabo para abrir e fechar o
dispositivo
54
Figura 7.3
Peças numeradas para efetuar os testes
54
Figura 7.4 Gráfico de dispersão dos produtos em processo
convencional
57
Figura 7.5 Gráfico de dispersão dos produtos tratados em processo
com inversão das faces
58
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Percentuais médios dos principais elementos químicos do
aço DIN 100Cr6
.
13
Tabela 4.1 Coeficientes de troca de calor nos processos de convecção
( Incropera e DeWitt, 2002)
26
Tabela 5.1 Detalhamento dos componentes do aparato experimental.
33
Tabela 5.2 Composição química dos anéis de teste 34
Tabela 6.1 Resultados dos testes de laboratório com resfriamento
convencional.
40
Tabela 6.2 Redução de temperatura no resfriamento convencional 42
Tabela 6.3 Redução de temperatura no resfriamento com inversão 44
Tabela 6.4 Resultado das temperaturas no teste em laboratório com
inversão do lado apoiado.
45
Tabela 6.5 Distorção dimensional dos produtos no teste de laboratório
no processo convencional
46
Tabela 6.6 Distorção dimensional dos produtos no teste de laboratório
no processo com inversão
47
Tabela 6.7 Distorção dimensional nas peças – processo convencional
em laboratório.
48
Tabela 6.8 Distorção dimensional nas peças – processo com inversão
em laboratório.
49
Tabela 7.1 Descrição de componentes do tratamento térmico 52
Tabela 7.2 Resultados da distorção dimensional antes do tratamento
convencional
55
Tabela 7.3 Resultado da distorção dimensional após o processo
convencional
55
Tabela 7.4 Resultados antes do tratamento com inversão das faces 56
Tabela 7.5 Resultados após o tratamento com inversão das faces 56
xi
Resumo
Para a obtenção de propriedades mecânicas que atendam à solicitação para
uma dada aplicação, tais como, maleabilidade, ductibilidade, tenacidade, resistência
e dureza mecânica, entre outras, muitas vezes é necessário que peças metálicas
sejam submetidas a um tratamento térmico.
Nas várias etapas do tratamento térmico podem ocorrer distorções
dimensionais das peças, principalmente na etapa de resfriamento em banho de óleo;
que devem ser minimizadas.
No presente trabalho é realizada uma análise de distorções dimensionais em
anéis de rolamento no tratamento térmico em fornos de esteira contínuos, com foco
nas distorções originadas por diferenças de temperatura na peça durante o processo
de resfriamento em banho de óleo.
Para tanto, inicialmente foram realizados ensaios em laboratório, onde foram
testadas modificações na movimentação e apoio das peças na superfície metálica
da esteira e, posteriormente, foram realizados ensaios em forno de esteira contínuo.
Os resultados obtidos nos testes em laboratório e na condição de produção
dos anéis de rolamento indicam que a aplicação do processo de inversão da face de
apoio das peças na esteira metálica reduz a distorção dimensional das peças. Essa
redução apresentou valores significativos, próximos a 20%, o que proporciona
melhores condições para a usinagem nos processos posteriores e para o
balanceamento dos anéis em relação aos erros de forma.
Palavras-chave: fornos de esteira contínuos; produtividade tratamento térmico;
distorção dimensional; anéis de rolamento.
xii
Abstract
In order to obtain mechanical properties that meet the requirements for a given
application, such as, malleableness, ductibility, tenacity, resistance and mechanical
hardness, among other, many times it is necessary that metallic pieces are submitted
to a heat treatment.
In the several steps of the thermal treatment, it might occur dimensional
distortions of the pieces, particularly in the cooling process in oil bath. Such
distortions should be minimized.
In the present work it is accomplished an analysis of dimensional distortions in
bearing rings during heat treatment in continuous belt furnaces, with focus in the
distortions caused by temperature differences in the pieces during the cooling
process in oil bath.
Initially, tests were performed at laboratory, where modifications in the
movement and support of the pieces on the metallic surface of the belt were tested.
Afterwards, tests in continuous belt furnace were accomplished.
The results obtained in the laboratory tests and in the bearing rings production
condition indicate that the application of the process of inversion of the supporting
pieces face on the metallic belt reduces the dimensional distortion. That reduction
presented significant values, close to 20%, what provides better conditions for the
operation in the subsequent processes and for the balancing of the rings in relation to
dimensional errors.
Key-words: heat treatment; dimensional distortion; bearing rings; continuous belt
furnaces; productivity.
xiii
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Em processos de tratamento térmico, normalmente, ocorrem distorções, que
trazem como conseqüência desperdícios nos processos de produção. Assim, a
obtenção de produtos otimizados em relação às distorções originadas pelos
processos de tratamento térmico é um tema estudado com o intuito de possibilitar
ganhos pela diminuição de seus efeitos ( Zakharov, 1962 ).
Ressalta-se que a prioridade no tratamento térmico é a obtenção de
estruturas adequadas à aplicação do produto. Uma vez satisfeita esta condição
busca-se a otimização dos recursos internos de tratamento térmico e a redução de
seus efeitos para as outras áreas. Neste universo, um efeito indesejável clássico é a
distorção dimensional ( Kamenichny, 1967).
As variáveis principais estão relacionadas à composição do material a ser
tratado e às condições de processamento, mais especificamente, as condições e
meios de tratamento, como os tempos, as temperaturas e as formas de
resfriamento.
Em relação à composição do material, as ligas e suas associações possuem
interferência na ocorrência da distorção dimensional. Outro fator importante é a
interferência da quantidade de carbono presente no produto a ser tratado
(Kamenichny, 1967). Porém, à medida que o material é processado sob condições
de controle adequadas, a flutuação em uma mesma corrida tem a tendência de ser
reduzida.
Já as condições do processo, como temperatura e tempo, possuem interações
que proporcionam flutuações na distorção. A magnitude da participação de cada
fator possui intensidade própria.
Dentro deste cenário, um ponto importante na obtenção da redução da
distorção é a maneira como a troca de calor ocorre no produto tratado, sobretudo no
processo de resfriamento no tratamento térmico. Estudos conduzidos no sentido de
reduzir esse impacto demonstram práticas da melhor condição para o mergulho da
1
xiv
peça no óleo após o aquecimento, levando-se em conta a forma geométrica do
produto (Zakharov, 1962 ).
Quando nos referimos a anéis de rolamento, mais especificamente, os
submetidos a processos contínuos de tratamento térmico (fig. 1.1 ), um ponto
determinante é a troca de calor do anel com o meio de resfriamento, no caso,
principalmente o óleo e a esteira transportadora. Salienta-se o fato de outras
variáveis estarem sob controle e por conseqüência possuírem menor impacto.
Figura 1.1 – Processo de tratamento térmico em fornos contínuos
Para um melhor entendimento da situação, faz-se necessário indicar as
principais fases do processo de tratamento térmico, onde, no caso específico dos
anéis de rolamento, esse ciclo pode ser expresso por:
- Aquecimento do produto, acima da zona austenítica.
- Estabilização da temperatura interna e externa do produto.
- Resfriamento em óleo para possibilitar a transição da estrutura.
- Lavagem, para remoção do óleo e redução da temperatura, evitando efeitos
da retenção da austeníta na estrutura martensítica.
- Revenimento do produto.
Os processos de tratamento térmico buscam a otimização no controle das
condições a que o produto é submetido, para possibilitar uma estrutura tendendo à
uniformidade e, conseqüentemente, uma menor distorção.
Existe uma tendência de, na região do anel onde ocorre uma maior diferença
de temperatura, ocorrer também uma maior distorção. Os tipos de distorção nos
anéis de rolamento podem ser subdivididos em três elementos principais, que são: a
Forno - têmpera
Lavadora
Forno - revenimento
Tanque de óleo
2
xv
ovalização do anel, que é a variação dimensional no sentido radial do anel; a
conicidade, que é a variação dimensional entre diâmetros nas extremidades do anel;
e a planicidade, que é o abaulamento das faces do anel no sentido transversal,
conforme mostrado na figura 1.2.
Conicidade Ovalização Planicidade
Figura 1.2 Tipos de distorção
Essas distorções possuem como variável determinante, a não uniformização da
temperatura no processo de resfriamento, que no caso, tem a seguinte sequência:
1. A troca de calor no lado que fica apoiado sobre a esteira é maior, pois esta face
do anel troca calor com o óleo e com a esteira metálica, enquanto a outra face
troca calor com o óleo somente.
2. Como um dos lados é resfriado mais rapidamente, alcança a temperatura de
transformação martensítica primeiro, enquanto o outro lado somente iniciará esta
transformação ao chegar à temperatura adequada, causando desta forma uma
condição desigual de início de transformação e conseqüentemente, aumentando
a tendência de distorção.
Os principais efeitos desta distorção são:
- A necessidade de acrescentar material para a usinagem posterior, para corrigir as
disparidades dimensionais. Por conseqüência, requer-se também uma matéria-
prima que possua dimensional maior, para atender o acréscimo requisitado em
função da distorção.
3
xvi
- A necessidade de retrabalhos de produtos, quando possível, em ocasiões nas
quais o nível de distorção vai além dos critérios de processo.
1.1 - MOTIVAÇÃO DO TRABALHO
A motivação do trabalho consistiu em:
- trazer possibilidades de melhores resultados relativos à distorção dimensional dos
produtos tratados termicamente, e por conseqüência o aumento da produtividade
dos processos posteriores, onde são efetuadas usinagens.
- diminuição da necessidade de carga de material adicional para compensar o erro
de forma de produto decorrente da distorção dimensional
- redução dos retrabalhos, necessários em função da distorção dimensional.
1.2 OBJETIVOS E OBJETO DE ESTUDO
O objetivo deste trabalho foi o de identificar e testar possibilidades de melhoria
em relação à distorção dimensional de anéis de rolamento submetidos a tratamento
térmico em fornos contínuos.
Os estudos foram efetuados em laboratório e em forno do tipo industrial com
alimentação e remoção manual das peças, e controle das temperaturas do forno e
do óleo. No estudo foram utilizados anéis de rolamento com 62 mm de diâmetro
externo. A verificação dimensional dos anéis foi realizada antes e após a efetuação
do tratamento térmico nas condições de estudo.
Foram analisadas alternativas para reduzir os efeitos da troca de calor não
uniforme no produto, sobretudo em relação ao contato com a esteira metálica no
tanque de óleo. Para tal foram efetuados testes para verificar o efeito de uma troca
de calor mais uniforme entre as faces e o óleo, invertendo a face apoiada do anel
sobre a esteira, e assim intervir no processo de troca de calor e possibilitar reduções
dos patamares de distorção, quando comparados a um processo convencional.
4
xvii
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
O desenvolvimento do trabalho é apresentado em nove capítulos, sendo o
primeiro a Introdução.
No capítulo 2 é apresentado o processo de tratamento térmico e as origens da
distorção dimensional, de forma a esclarecer as situações tratadas neste trabalho,
focando, sobretudo, as condições no tratamento térmico de anéis de rolamento.
No capítulo 3 são detalhadas as distorções dimensionais em termos de
intensidade e impacto nos processos de produção.
No capítulo 4 são apresentadas as interações entre a distorção dimensional e
os processos de transmissão de calor no tratamento térmico.
No capítulo 5 são apresentados e discutidos os métodos experimentais para a
efetuação dos testes.
No capítulo 6 são apresentados os resultados obtidos nos testes em
laboratório, juntamente com a sua avaliação.
No capítulo 7 são detalhados os resultados obtidos no processo produtivo e a
análise destes resultados.
O oitavo capítulo traz as conclusões do trabalho e as considerações finais, bem
como sugestões de continuidade do trabalho. Finalmente, no capítulo 9 são
apresentadas as referências bibliográficas.
5
xviii
CAPÍTULO 2
TRATAMENTO TÉRMICO E DISTORÇÕES DIMENSIONAIS
Conforme destacado no Capítulo 1, o objetivo deste trabalho é o de identificar
e testar possibilidades de melhoria em relação à distorção dimensional de anéis de
rolamento submetidos a tratamento térmico em fornos contínuos.
Para tanto é necessário, inicialmente, o entendimento dos processos que
intervém na distorção dimensional e um estudo do material onde estas distorções
ocorrerão, o aço.
2.1 Histórico da utilização de metais e dos tratamentos térmicos
Desde a antiguidade, o homem utiliza os metais em suas lutas de conquistas,
transformações e em prol da sociedade ou em seu bem estar próprio, entre outros (
Novikov, 1994).
Pesquisas arqueológicas remontam que as primeiras peças metálicas obtidas
através do forjamento apareceram na era Neolítica (peças em ouro, cobre e cobre
fundido no minério). Na produção destas peças eram utilizados os efeitos do
encruamento, com a conformação das peças sendo realizada com pontas agudas ou
com gumes finos. Posteriormente, este processo foi amenizado com o primeiro
tratamento térmico aparentemente conhecido, o recozimento por recristalização;
com o produto sendo aquecido para melhoria de suas propriedades. Tais evidências
foram obtidas através de análises de artefatos confeccionados na Europa e Ásia há
cerca de cinco mil anos a.C. (antes de Cristo).
A produção metalúrgica do ferro veio cerca de três mil anos depois, com a
obtenção direta do minério, com baixo teor de carbono, o que trazia empecilhos para
a efetuação da têmpera. Com o emprego de técnicas de aquecimento através de
carvão vegetal e o resfriamento em água, ocorreu a percepção da melhoria das
propriedades dos materiais ferrosos trabalhados. Esse conhecimento era bem
dominado por gregos e romanos, o que é comprovado através de citações em obras
famosas como a Odisséia de Homero ( século VIII e VII a.C).
O uso do aço tornou-se mais comum nos séculos VI e V a.C., com ênfase nas
aplicações bélicas. Posteriormente, houve o aprimoramento dos processos, com a
6
xix
utilização de meios de resfriamento alternativos como o óleo. Com o passar dos
anos, a prática dos tratamentos térmicos se difundiu, com a utilização de materiais
de compostos diversos, característicos a aplicações específicas, e com a otimização
dos processos de produção, seus efeitos e análises computacionais, para predizer o
comportamento e o efeito nos produtos. Dentre esses efeitos um ponto importante é
a questão das distorções dimensionais, foco deste trabalho.
2.2 Particularidades do aço
Considera-se aço as ligas ferro-carbono, onde este último não ultrapasse o
percentual de 2,1%. Em função das temperaturas, o aço pode assumir estruturas
diferenciadas como a ferrita ou a austenita, como descrito na figura 2.1:
Figura 2.1 –Estruturas do aço em função da temperatura e material
(Magnabosco, 2007).
As estruturas referenciadas como cúbicas de corpo centrado ou de face
centrada possuem características distintas em relação às propriedades do produto e
à distribuição dos átomos, e são identificadas nas figuras 2.2 e 2.3:
7
xx
Estrutura cúbica de corpo centrado:
Figura 2.2 – (a) Vista em corte, com a demonstração das intersecções, (b)
Representação em cubo sem intersecção, (c) Átomos aglomerados. (Magnabosco,
2007).
Estrutura cúbica de face centrada:
Figura 2.3 – (a) Vista em corte, com a demonstração das intersecções, (b)
Representação em cubo sem intersecção, (c) Átomos aglomerados. (Magnabosco,
2007).
Quando são associados elementos de liga ao ferro, existe uma condição para
os solutos substitucionais e os solutos intersticiais, que possibilitam condições
diferenciadas das ligações, visto existir uma diferença dos números de raio atômico
entre esses. Elementos comuns para aplicação nas ligas, como o Manganês o
Cromo ou o Silício, possuem raios atômicos de 0,137nm, 0,125nm e 0,118nm
respectivamente, enquanto o Ferro possui raio atômico de 0,124nm, o que conduz a
ligações como as demonstradas na figura 2.4:
8
xxi
(a) (b)
Figura 2.4: (a) Solutos substitucionais ao ferro com maior raio atômico, (b) Solutos
substitucionais ao ferro com menor raio atômico (Magnabosco, 2007).
Um soluto intersticial de larga aplicação é o Carbono, que possui raio atômico
de 0,077nm e massa atômica de 12,01 g/mol. A diferenciação entre os solutos
substitucionais e intersticiais é observada via comparativo das Fig. 2.4 e 2.5.
Figura 2.5: Soluto intersticial
O Carbono possui solubilidades diferenciadas em função do tipo de estrutura
em que o material se encontra. Na ferrita esta solubilidade chega a 0,02% à 727ºC,
enquanto na austenita chega a 2,14% à 1147ºC.
9
xxii
O transporte de material pode ocorrer por meio da movimentação dos
átomos, também conhecido por difusão, onde por meio de uma energia de ativação
podem ser criadas lacunas (espaços) e também a movimentação dos átomos, como
se observa na figura 2.6.
Antes Após
Figura 2.6 - Movimentação atômica pelas lacunas (Magnabosco, 2007).
No caso da difusão por interstícios é necessário apenas a energia para mover
os átomos, como demonstrado na figura 2.7.
Figura 2.7 – Movimentação intersticial – difusão.
Uma condição a salientar é que, quanto maior a temperatura, via de regra,
maior será o coeficiente de difusão, com a difusão intersticial ocorrendo com maior
facilidade em relação à substitucional. Ambas são condições geradoras de tensões
no sistema.
10
xxiii
As formações entre os solutos podem possuir pequenas falhas denominadas
de discordâncias, que são demonstradas na figura 2.8, onde as maclas, que são
mudanças de orientação dos átomos de grão, também podem ser notadas. Estas,
por sua natureza de defeito, tem uma movimentação interna no grão do material,
mas não entre grãos diferentes, o que pode acarretar em deformação plástica do
material, conforme demonstrado na figura 2.9.
Figura 2.8 - Croqui demonstrativo de discordâncias no material (Magnabosco,
2007).
Figura 2.9 - Movimentação da discordância dentro do grão, até a ocorrência de
deformação plástica (Magnabosco, 2007).
11
xxiv
Na metalografia, pode-se observar, por meio dos grãos formados pelas
estruturas cristalinas, as ligações dos materiais, que são demonstradas na figura
2.10. Existe uma tendência de que com tamanhos de grão menores ocorra também
uma maior área total de contornos de grão, o que irá dificultar a movimentação das
discordâncias.
Figura 2.10 – Grãos observados em análise metalográfica.
2.3 Principais propriedades do aço
As principais propriedades mecânicas do aço, segundo (Magnabosco, 2007),
são:
- Rigidez: Capacidade de resistir à deformação elástica.
- Resistência: Capacidade de resistir a um evento de deformação plástica.
- Ductibilidade: Capacidade de deformação plástica.
- Resiliência: Energia armazenada por unidade de volume no trecho elástico
e devolvida ao descarregar a amostra.
- Tenacidade: Energia absorvida por unidade de volume até a fratura.
12
xxv
Tais características são importantes, pois tendem a facilitar o entendimento
de qual material poderá ser utilizado visando um determinado desempenho sob
condições conhecidas.
Todos os pontos citados estão associados à formação de estruturas que terão
um desempenho particular com relação às distorções em função das condições de
processamento a que serão submetidas. Para tanto se faz necessário o
entendimento do que é a distorção dimensional focada no produto anéis de
rolamento.
2.4 Tratamento térmico de materiais
O tratamento térmico de um produto tem como objetivo principal a obtenção
de propriedades mecânicas que atendam à solicitação para uma dada aplicação,
dentre as quais podemos citar a maleabilidade, a ductibilidade, a tenacidade, a
resistência e a dureza, entre outras. No caso dos anéis de rolamento, as principais
propriedades necessárias são a dureza, a resistência à fadiga e ao desgaste (Harris,
1962).
A resultante de um tratamento térmico está associada ao material a ser
tratado e aos meios de tratamento, incluindo-se aí todas as fases do processo. No
caso de anéis de rolamento o aço DIN 100Cr6 é o aplicado em maior escala, visto a
sua possibilidade em atender aos requisitos para este produto, pois a sua
composição, apresentada na tabela 2.1, favorece tal obtenção após a efetuação de
processos de tratamento térmico.
Tabela 2.1: Percentuais médios dos principais elementos químicos do aço
DIN 100Cr6.
Elemento Carbono Cromo Silício Manganês
Percentual
médio
0,98 1,53 0,25 0,33
As etapas convencionais de um tratamento térmico voltado a anéis de
rolamentos são compostas pelo aquecimento acima da zona austenítica, a
permanência por um tempo adequado para uniformizar a temperatura, o
resfriamento forçado (geralmente em óleo ou sal), reduções de temperatura para
reduzir a austenita retida e, posteriormente, um processo de revenimento para alívio
13
xxvi
de tensões (Felippe et al.,2006). Este processo é detalhado na figura 2.11.
Figura 2.11 – Esquematização de um processo de tratamento térmico para
anéis de rolamento em fornos contínuos (Felippe et al., 2006).
Como produto final obtém-se anéis aptos a atenderem as aplicações
requeridas, com a formação da estrutura martensítica e um nível adequado de
austeníta retida. Cifuentes et al (2002) analisaram a questão da interferência da
austeníta retida na estabilidade dimensional e a interação entre o carbono na
formação da martensíta e os fenômenos de solubilização, e verificaram que ambos
colaboram para dificultar tal estabilidade.
Vislumbra-se que um fator indesejável no processo de tratamento térmico é a
distorção dimensional, que Narazaki e Totten (2004) explicitam como relacionada
com três fatores:
- Tensão residual existente no material (matéria-prima)
- Tensões causadas por diferentes expansões térmicas nos componentes.
- Alterações de volume ligadas à transformação de fase dos componentes do
material.
Forno destinado ao processo de têmpera dos an
éis
de rolamento
R
E
S
F
R
I
A
M
E
N
T
O
Processo de revenimento dos anéis
Lavadora Aquecimento
Banho de
óleo
Lavagem dos
anéis
Aquecimento ( Revenimento)
14
xxvii
Estes fatores básicos serão detalhados neste capítulo, associados às etapas
de fabricação e suas possíveis interferências para a ocorrência da distorção
dimensional.
2.5 Influências da matéria-prima na distorção dimensional
A constituição da matéria-prima traz conseqüências diretas na ocorrência das
distorções dimensionais, em função das interações que os seus componentes
efetuarão. Cui et al (2005) ressaltam que a homogeneidade é um dos pontos
necessários para a minimização da interferência da variável matéria-prima na
distorção dos produtos.
Na produção do aço para rolamentos obtêm-se sistemas multi-fases, que são
a associação dos diversos componentes aí contidos, como entre metais e óxidos
(ex: ferro e inclusões), metais e gases ou metais e metais. Estas fases resultam em
sistemas multi-componentes, que são resultantes das interações entre os elementos
de uma dada fase e que geram, segundo os percentuais de participação, uma
tendência à formação de uma dada substância (Silva, 2006).
Estes sistemas multi-componentes possuem, por conseguinte, interferência
nas questões de formação futura de tensões residuais, nas diferenças de expansão
térmica e nas alterações de volume não uniformes entre os materiais.
Não apenas são importantes os componentes do aço, mas também a sua
forma de processamento, visto que esta também poderá interferir no
estabelecimento de tensões. Lund e Ölund (2002) apresentam em seu trabalho a
rota básica para a produção de anéis de rolamento desde a aciaria, ressaltando
possibilidades de variação de distorções decorrentes da condição de processo, e
estabelecendo alternativas de materiais para minimizar estas distorções, por meio
da melhoria da temperabilidade em função da alteração da composição dos
produtos.
A composição dos elementos, a sua solubilidade e formatação de novos
elementos por associação, também são variáveis importantes, pois como visto,
influenciam nas estruturas a serem formadas,
15
xxviii
Portanto, o controle do processo de produção do aço e de sua
homogeneidade desempenha papel importante não apenas na geração de um
produto que satisfaça as exigências mecânicas, mas também que minimize as
possibilidades de distorção dimensional.
2.6 A interferência do processo de produção dos anéis de rolamento na
distorção dimensional
A seguir são abordados os processo de formatação dos anéis e de
tratamento térmico:
2.6.1 Formatação dos anéis
O processo de produção de anéis de rolamento inicia-se pela sua
formatação inicial, com a usinagem das pistas de rolagem, as faces, os chanfros
e os canais para acomodação da vedação. Esta etapa pode ocorrer por meio de
usinagens somente ou por processos de forjaria associados a usinagens,
obtendo-se o anel a partir de uma barra ou tubo. No caso em estudo será focada
a usinagem via tubos, em cujo processo a ocorrência de diferenças dimensionais
se dá, normalmente, em função da capabilidade dos sistemas de produção.
Além disso, o anel proveniente de tubos pode acumular tensão residual,
devido às condições de remoção de material e esforços no processo de
usinagem. Nowag, Sölter e Brinksmeier (2007) relacionam tal ocorrência com a
formação de uma camada próxima à área de usinagem, que possuí deformação
plástica e que age como origem para a tensão residual ocorrer pela seção do
produto em questão.
2.6.2 Influência do tratamento térmico na distorção dimensional.
A influência do tratamento térmico na distorção dimensional está
relacionada com variáveis diversas, e que por vezes interagem entre si. Entre
estas variáveis pode-se destacar:
- Homogeneidade do aquecimento no produto: Variações nos gradientes de
16
xxix
temperatura ao longo da mesma peça possibilitam a dissolução do carbono
de forma diferente no produto e, conseqüentemente, a formação de
estruturas diferenciadas com comportamentos mecânicos diferentes e com
maior tendência à distorção dimensional. Cifuentes et al. (2002),
analisaram este tópico com foco na influência da decomposição da
austenita residual na estabilidade dimensional. Soma-se ainda a
diferença de chegada ao ponto de transformação quando do resfriamento,
e por conseqüência uma transformação mais turbulenta.
- Condições de resfriamento: O produto é submetido a um processo de
resfriamento utilizando, por exemplo o óleo, onde a troca de calor passa
pelas fases de vapor, ebulição e convecção sem mudança de fase, cada
qual resultando em comportamento final específico do material. A fase
ebulição é considerada uma situação onde a troca de calor não uniforme
no produto ocasiona uma maior tendência à distorção. Narazaki e Totten
(2004), indicam como fator principal a importância e os efeitos do
resfriamento na distorção e formação da tensão residual em função do tipo,
temperatura utilizada e fluxo do óleo (Fig. 2.12).
Figura 2.12 – Interferência do fluxo de óleo na distorção dimensional do
produto.
No processo de troca de calor com o produto, quanto maior a
uniformidade, menor será a distorção, assim como, quanto maior o choque
térmico, maior será a distorção comparativamente. Em contrapartida, se o
processo não ocorre em tempos adequados, a formação da estrutura pode ser
comprometida, e, portanto, utiliza-se um elemento para troca de calor mais
Sentido do fluxo de óleo
Antes do
tratamento
Após o
tratamento
17
xxx
efetivo, para chegar à obtenção da estrutura adequada dentro de parâmetros
de tratamento conhecidos, conforme apresentado na figura 2.13.
A análise destes pontos indica que são vários os fatores e variáveis que
causam a ocorrência da distorção, e que a utilização de conceitos para a
evolução de um processo requer o conhecimento das condições que ocorrem
em cada sistema de tratamento térmico, para a adoção de técnicas que
possibilitem a redução da distorção dimensional.
Figura 2.13 - Curvas demonstrativas de formação de estruturas (Microquímica
2002).
18
xxxi
CAPÍTULO 3
DISTORÇÃO DIMENSIONAL E SEU IMPACTO NO
PROCESSO PRODUTIVO
Com a necessidade da minimização dos desperdícios na sociedade e,
sobretudo, em ambientes industriais extremamente competitivos, a busca por
diferenciais de competitividade ganha ênfase e o ciclo de mudanças nos processos
torna-se cada vez mais intenso.
Neste cenário o impacto da distorção dimensional nos processos produtivos
surge como uma vertente capaz de trazer possibilidades múltiplas de retorno, seja
no próprio processo de tratamento térmico, com a redução de retrabalhos, seja nos
processos posteriores, que receberão uma carga menor de material para remoção,
seja para o meio ambiente, que receberá uma menor quantidade de resíduos
gerados nos processos de usinagem.
São analisados neste capítulo os impactos gerados pela distorção
dimensional, com foco nos processos de tratamento térmico com resfriamento a óleo
em fornos, particularmente,no processamento de anéis de rolamento.
3.1 Distorção dimensional e impacto na produtividade
Os erros de forma ocorridos em função do processamento do produto no
tratamento térmico, como os apresentados na figura 3.1, tem como impactos
principais os seguintes pontos:
- Necessidade de ser adicionado material ao produto com o intuito de
possibilitar a remoção das imperfeições de forma, o que causa desperdício
pelo aumento do tempo necessário para a usinagem e consumo dos insumos
relacionados a essa atividade.
- Uma vez que há a necessidade de aumentar o material para usinagem
posterior, há também a necessidade de aumentar o dimensional da matéria-
prima, para que esta suporte a quantidade de material que foi adicionado.
19
xxxii
- Retrabalhos para correção do erro de forma para produtos onde for excedido
o valor permissível e exista a condição de remanufatura.
Esses pontos têm associação com o custo de matéria-prima, em função da
sua especificação dimensional, do custo de usinagem pela utilização de maior tempo
de trabalho, e do custo de mão-de-obra pela necessidade de tempo para retrabalhar
produtos. Todos estes pontos têm ligação direta com a produtividade, a qual se
busca melhorar continuamente.
Peça antes do tratamento térmico com dimensão final
Peça deformada após o tratamento térmico
Material adicionado antes do tratamento térmico para possibilitar a usinagem no
dimensional requerido.
Figura 3.1 - Acréscimo de material para correção das distorções dimensionais
3.2 Distorção em anéis de rolamento em resfriamentos a óleo
Conforme já mencionado, o processo de origem da distorção dimensional em
produtos submetidos ao tratamento térmico é associado a três fatores básicos
(Narazaki e Totten, 2004) :
- Tensão residual existente no material.
- Tensões causadas por diferentes expansões térmicas nos componentes.
- Alterações de volume ligadas à transformação de fase dos componentes do
material.
Dentre esses fatores o presente trabalho foca as tensões causadas por
diferentes expansões térmicas nos componentes, por serem as que mais estão
vinculadas às condições de processo; tendo os outros dois fatores coligação
destacada com outros pontos do sistema.
As tensões causadas por diferentes expansões térmicas também sofrem
interferência da variável material, porém tornam-se mais salutares as questões das
20
xxxiii
diferenças de temperatura em regiões da mesma peça e seu tempo de
processamento. Uma vez atingida a homogeneidade no aquecimento do produto,
como destacado por Kang et al (2006), e dado que o tempo de processo seja
otimizado na formação adequada da estrutura do material, obtém-se condições
iniciais para a redução da distorção.
Todavia, os fatores associados ao resfriamento do produto tratado
termicamente podem ter impacto na geração do efeito distorção dimensional. A
submissão a resfriamentos desiguais em regiões da mesma peça tende a favorecer
o acúmulo de tensões residuais e a conseqüente geração de distorção. Nos
produtos com geometrias assimétricas existe uma tendência de maior dificuldade da
efetuação da troca de calor de forma homogênea. No caso dos anéis de rolamentos
existem projetos diversos, voltados a aplicações específicas, sendo o foco deste
trabalho os anéis para rolamentos fixos de uma carreira de esferas, os quais
possuem forma geométrica que favorece o resfriamento mais uniforme da peça.
O ambiente no qual o resfriamento é efetuado também traz interferência ao
resultado. Neste aspecto o tipo de óleo e sua temperatura possibilitam flutuações no
resultado alcançado em função da curva de resfriamento e aditivos. No caso de
resfriamento por meio do uso de óleo em fornos convencionais ou contínuos, existe
a troca de calor com o óleo e também com os suportes.
Notoriamente um dos fatores que mais contribui para essa troca é a fase
ebulição do óleo, e adicionalmente a base onde as peças estão apoiadas durante o
resfriamento. Na condição a troca de calor no anel é mais intensa na parte de apoio,
pois além de trocar calor por convecção com o óleo também existe a troca de calor
por condução com a base. Desta forma ocorre uma situação que favorece a
formação de tensões em função do resfriamento desigual em partes da mesma
peça.
Existem técnicas já aplicadas visando o aumento da temperatura do óleo para
tornar a troca térmica menos intensa e, conseqüentemente, tender a uma menor
distorção dimensional. Os processos de martêmpera utilizam este tipo de
procedimento. Adicionalmente, com a temperatura do óleo maior, e portanto, mais
próxima da temperatura de transformação martensítica, a temperatura da base de
apoio acompanha a temperatura do óleo, com a tendência de tornar a troca de calor
21
xxxiv
entre peça e óleo, e fundamentalmente entre a peça e a base menos intensa; o que
também favorece uma menor distorção.
Ainda assim, existem limitações tecnológicas com relação a aplicações do
óleo a determinadas temperaturas e como conseqüência, a necessidade da
utilização destes em temperaturas distantes da faixa de transformação dos
materiais; o que não vai de encontro à questão da redução da distorção. Por outro
lado, quando as temperaturas do óleo são menores há o favorecimento das
condições de temperabilidade e obtenção da estrutura desejada.
A redução do impacto da diferença na troca de calor foi analisada, levando-se
em consideração um sistema que possibilite uma maior uniformização no
mecanismo de resfriamento e avaliada a resposta em termos de distorção
dimensional.
Para estudar esta situação foi necessário avaliar a diferença de temperatura
no resfriamento em regiões da mesma peça, sobretudo nos pontos críticos, que no
caso dos anéis de rolamento são a parte com apoio na esteira e a parte oposta.
3.3 Foco deste trabalho na intervenção do efeito de distorção dimensional
Com base nesta condição foram estudadas modificações na condição de
resfriamento para reduzir a diferença de temperatura nas regiões da mesma peça e
foi observado o comportamento dos produtos tratados no processo convencional
versus o produto tratado com a alteração
Uma vez determinada esta diferença de temperatura entre as regiões dos
anéis efetuou-se o tombamento da peça, invertendo o lado apoiado da face em
contato com a base de apoio da esteira. Esta alternância ocorreu em um tempo
adequado para que a transformação ocorra de forma mais branda e com tendência
de menor distorção dimensional.
Para que essa condição fosse melhor interpretada se faz necessário
entender os mecanismos de troca de calor no sistema, discutidos no capítulo a
seguir.
22
xxxv
CAPÍTULO 4
TRANSMISSÃO DE CALOR NO TRATAMENTO TÉRMICO
Os capítulos anteriores trataram dos processos de distorção dimensional e da
influência dos seus diversos fatores geradores, sejam os relacionados à parte de
materiais, com ampla participação dos compostos químicos e dos processos de
formação e tratamento do aço, sejam os de influência das condições de processo
durante o tratamento térmico e as diferenças de temperatura ocorridas em função
das variáveis presentes no processo.
Uma condição relevante para o entendimento dos fenômenos de distorção
dimensional em decorrência das condições de resfriamento, e particularmente das
diferenças de temperatura em regiões da mesma peça, é o entendimento das
características de transmissão de calor nesta etapa do tratamento térmico.
Neste capítulo são abordados estes mecanismos de forma a ressaltar seu
impacto para vislumbrar possibilidades de melhoria no processo por meio da sua
melhor compreensão.
4.1 O processo de transmissão de calor na etapa de resfriamento no
tratamento térmico em fornos contínuos de esteira
O fenômeno de transferência de calor pode ser definido como a energia
térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura (Incoprera e DeWitt,
2002 ).
As etapas mais comumente encontradas no processo de transmissão de calor
no resfriamento de anéis de rolamento em fornos de esteira contínuos (fig. 4.1),
referem-se à troca de calor dos anéis com:
a) O ar na saída do processo de aquecimento.
b) A cortina de óleo.
23
xxxvi
c) O óleo na convecção com mudança de fase (vapor)
d) O óleo na convecção com mudança de fase (ebulição)
e) O óleo na convecção sem mudança de fase (somente convecção)
f) A tela de apoio no transporte da peça na esteira B
Figura 4.1 – Ilustração do movimento dos anéis e da troca de calor de resfriamento
com o meio .
Complementando a figura 4.1, a figura 4.2 ilustra o processo de troca de calor
que ocorre entre os anéis e o banho de óleo, nas faces externa, superior e interna, e
entre os anéis e o banho de óleo e a tela da esteira B, na face apoiada.
Ar
Óleo
Cortina
de óleo
Esteira
Esteira A
Anéis
100
o
C
Anéis
840
o
C
Esteira B
24
xxxvii
Figura 4.2: Ilustração da troca de calor dos anéis com o banho de óleo e a
tela metálica da esteira B
Em cada um dos processos de troca de calor existem particularidades e
diferentes consequências na formação da estrutura do material e na distorção da
peça.
Conforme apresentado na figura 4.1, os anéis, após o processo de
aquecimento e estabilização da temperatura no forno (esteira A), são lançados no
ar, passando por uma cortina de óleo (utilizada para minimizar a perda de óleo no
respingo na queda dos anéis no banho de óleo) e, consequente, queda no banho de
óleo. Em seguida, a peça cai sobre a tela da esteira metálica B, que é constituída
por elos que possibilitam a passagem do óleo. O resfriamento ocorre pela interação
do meio de resfriamento, o óleo, com a peça, sobretudo na fase ebulição, conforme
pode ser verificado na tabela 4.1, onde são apresentados coeficientes de
transferência de calor em diferentes processos de troca por convecção.
Ar
Óleo
Peça
Esteira
Face superior: Troca de calor com óleo
Face Apoiada: Troca de calor com óleo e com a esteira
25
xxxviii
Tabela 4.1 – Coeficientes de troca de calor, h, nos processos de convecção
(Incropera e DeWitt, 2002).
Processo h (W/m².K)
Convecção livre
Gases
Líquidos
2 – 25
50 - 1000
Convecção forçada
Gases
Líquidos
25 – 250
100 - 20000
Convecção com mudança de fase
Ebulição ou condensação
2500 - 100000
Além disto, a diferença na temperatura do óleo em relação aos anéis é
também uma variável bastante importante, por estar associada à formação da
estrutura do material e ao aumento ou redução nos processos de troca de calor.
pois, óleos com temperaturas menores tendem a possibilitar uma redução mais
rápida da temperatura na peça, facilitando desta forma a temperabilidade. Por outro
lado, tornam o processo de troca de calor mais turbulento, o que tende a facilitar a
distorção, ou mesmo trincas.
Quanto às estruturas formadas no tratamento térmico, a figura 4.3 mostra a
tendência na formação de diferentes estruturas em função da temperatura e do
tempo de resfriamento ( gráfico CCT – Cast Cooling Transformation ).
O tempo que o produto leva até tocar na esteira também interfere no
resultado do tratamento térmico, pois quanto maior o tempo que os anéis venham a
levar para entrar em contato com a esteira, menor será a “chance” da esteira
transportadora “roubar calor” da face inferior dos anéis. Esta situação favorece que o
produto alcance em tempos diferentes as temperaturas de transformação da sua
estrutura. Com relação a este ponto, Kamenichny (1967), indica que as fases com
maior interferência nas distorções das peças estão próximas às temperaturas de
600°C e 230°C, sendo que nesta última, destaca-se a transformação martensítica.
26
xxxix
Figura 4.3 – Gráfico CCT – Cast Cooling Transformation (Microquímica, 2002).
Desta forma uma condição adequada seria buscar alcançar tais temperaturas
sem haver o contato das peças com a esteira, fato que esbarra em restrições em
relação aos projetos, como a questão da altura de queda em relação à possibilidade
de produtos com maior massa suportarem impactos.
4.2 Importância do óleo no processo de troca de calor
O óleo possui papel significativo na troca de calor, pois a velocidade de
resfriamento das peças tem grande influência nas questões de profundidade de
têmpera e nas questões da dureza do produto, visto a possibilidade de formação de
estruturas distintas em função da velocidade de resfriamento.
Os fabricantes normalmente estipulam diferentes categorias para os óleos,
em função da sua temperatura de operação, velocidade de resfriamento,
viscosidade, entre outros.
Temperatura (ºC)
Tempo (s)
27
xl
A figura 4.4 apresenta um gráfico típico das taxas de resfriamento para óleos
com diferentes velocidades de resfriamento. Outro fator importante é o regime em
que se dá a troca de calor, onde a turbulência pode contribuir para uma troca de
calor mais efetiva.
Figura 4.4 – Taxas de resfriamento – curvas para diferentes óleos (Microquímica,
2005).
Como já mencionado anteriormente, devido à redução da temperatura em
função do tempo, podem ser atingidas estruturas diferentes, o que pode ser avaliado
na figura 4.5, que representa a diferença de dureza obtida para óleos com diferentes
propriedades de resfriamento.
Pode ser observado que em uma redução mais rápida há uma menor
tendência do centro da peça vir a ter estruturas diferentes (que no caso é
representado pela dureza da peça). Como o resfriamento neste caso ocorre da
superfície externa (em contato com o meio de resfriamento) para a parte interna, a
espessura também interfere na questão da formação da estrutura, pois ocorrerão
tempos maiores para chegar aos patamares de resfriamento quando comparados
aos tempos das peças com espessuras menores.
28
xli
Figura 4.5 – Taxas de resfriamento – curvas para diferentes óleos (Microquímica,
2005).
As etapas de troca de calor em função da atuação direta do óleo são
demonstradas na figura 4.6, onde são destacadas as etapas vapor, ebulição e
convecção (sem mudança de fase).
Superfície
Meio
Superfície
29
xlii
Figura 4.6 – Fases de resfriamento em função da troca de calor da peça com
o óleo.
Observa-se pelo comparativo das figuras 4.4 e 4.6 que a etapa de ebulição é
aquela onde há maior intensidade na troca de calor. Contudo, embora a ebulição
verificada no fluido de resfriamento (o óleo) seja o mecanismo de troca de calor mais
significativo no resfriamento das peças, é por outro lado também um dos
responsáveis pela tendência à não homogeneidade de temperaturas na peça, o que
leva à maior possibilidade de distorções.
Conforme já ressaltado, a troca de calor da peça com o óleo ocorre em três
etapas principais, onde destacadamente a troca de calor por ebulição é aquela onde
há a maior redução de temperatura, conforme pode ser observado na figura 4.7.
30
xliii
Figura 4.7 – Etapas da troca de calor do óleo com a peça (Totten e Lally, 1992).
Fase vapor
Fase ebulição
Fase
Convecção
Fase vapor
Fase ebulição
Fase convecção
31
xliv
CAPÍTULO 5
TESTES EM LABORATÓRIO
Neste capítulo é apresentado o aparato experimental, com a identificação dos
componentes e da metodologia utilizada, para a efetuação de testes preliminares em
laboratório, objetivando:
- Determinação das diferenças de temperatura entre as regiões da peça (anel
de rolamento), e a redução destes valores por meio de alterações no
processo de troca de calor.
- Uma vez analisada esta situação, efetuá-la de forma prática em laboratório
para observar os resultados de distorção dimensional atingidos.
A realização dos testes e a análise dos resultados são a base para a redução
da diferença de temperatura em regiões do anel, por meio da comparação da
distorção dimensional no processo convencional e em processo de troca de calor
modificado.
5.1 Determinação da diferença de temperatura no resfriamento das peças
5.1.1 Preparação das peças para a realização dos testes
Para a realização dos testes os anéis de rolamento foram aquecidos em um
forno industrial. Após a estabilização da sua temperatura, os anéis foram resfriados
em óleo com temperatura controlada.
Para verificar o comportamento da temperatura em diferentes regiões do anel
foram inseridos termopares em pontos próximos a sua face, conforme mostrado na
figura 5.1.
32
xlv
Figura 5.1 - Anel com termopares para verificação da temperatura em diferentes
regiões da peça.
5.1.2 Dispositivos utilizados para o estudo da variação de temperatura nas
peças
Para a realização dos testes foi montado aparato experimental, com
detalhamento de componentes apresentado na tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Detalhamento dos componentes do aparato experimental
Item Marca / Material Especificação
Forno industrial tipo batch Jung 800 x 400 x 400 (mm)
Termopar do forno Fabricante: Ecil
Tipo K – isolamento mineral
Precisão de 0,75% do valor
medido.
Termopares inseridos na peça
Fabricante: Ecil
Tipo K – isolamento mineral
Precisão de 0,75% do valor
medido.
Peças para tratamento
térmico
Tubo de aço DIN 100Cr6
trefilado sem costura
Ø externo 62mm x Ø interno
48mm x 17mm de largura
Óleo para resfriamento Daido Dairoll N-101 Viscosidade 36,2cSt,
Registrador de temperatura Yokogawa Impressão em papel térmico
33
xlvi
5.1.3 Procedimento para determinação de diferenças de temperatura nas peças
Foram efetuadas análises individuais das peças, conforme a seqüência a
seguir:
- Inicialmente, foram selecionados 3 anéis de uma corrida cuja composição
química é detalhada na tabela 5.2
Tabela 5.2 – Composição química dos anéis de teste
Composição
C
%
Cr
%
Mn
%
Si
%
O
(ppm)
Corrida A 0,98 1,45 0,36 0,24 8
- Depois foram realizados pequenos furos nos anéis para inserção dos
termopares. Os furos foram efetuados no diâmetro externo, a 1mm de
distância de cada face e 3 mm de profundidade, conforme mostrado na figura
5.2. Os termopares inseridos na peça são apresentados na figura 5.3.
Figura 5.2 – Preparação dos furos no anel para inserção de termopares
34
xlvii
Figura 5.3 – Inserção dos termopares no anel
- Os termopares foram conectados ao registrador de temperatura, que é
apresentado na figura 5.4.
Figura 5.4 – Registrador de temperaturas
35
xlviii
- O forno teve sua temperatura estabilizada a 840ºC conforme mostrado na
figura 5.5.
Figura 5.5 –. Estabilização da temperatura do forno.
- As peças foram inseridas no forno, onde ocorreu o monitoramento da
temperatura do produto e das diferenças no aquecimento, conforme mostrado
na figura 5.6.
Figura 5.6 – Inserção das peças, juntamente com os termopares, no forno.
- Após a temperatura ter estabilizado em 840º C o produto permaneceu por 16
minutos no forno, conforme mostrado na figura 5.7.
36
xlix
Figura 5.7 – Forno fechado, mostrando os fios dos termopares.
- Os produtos foram retirados do forno e colocados no óleo (figura 5.8), que
estava a 90ºC, durante 3 minutos.
Figura 5.8 – Inserção das peças no óleo
- Finalmente, as temperaturas registradas em diferentes regiões do produto
durante o processo de tratamento térmico foram impressas.
37
l
5.2 Efetuação do teste com a inversão da face de resfriamento
Com base no teste anterior, foram identificadas as condições de redução da
temperatura em função do tempo e as diferenças entre as regiões do anel, cujos
resultados são apresentados no Capítulo 6.
Com base nestes valores foram efetuados testes para quantificar a diferença
da distorção de produtos efetuados em condições convencionais de resfriamento em
relação à distorção ocorrida quando foi buscada uma condição mais uniforme para a
troca de calor, próximo à temperatura de transformação martensítica.
Os resultados do teste foram avaliados para encontrar um tempo otimizado
para a inversão da face do anel na base de apoio, para que as temperaturas em
ambas as faces pudessem ser minimizadas.
A figura 5.9 exemplifica o processo de inversão da face do anel após um
tempo determinado com base no teste inicial.
Estágio 1: Estágio 2:
Início do resfriamento Inversão da face
Figura 5.9 - Demonstração da inversão das faces de apoio
O foco do trabalho está associado à verificação da distorção
dimensional em função da diferença de temperaturas em diferentes regiões
dos anéis de rolamentos.
Com base nas informações obtidas no teste foi possível efetuar um
teste comparativo entre o desempenho do resfriamento convencional em
relação à inversão das faces durante o resfriamento, com o intuito de verificar
as diferenças em relação à distorção dimensional.
38
li
O capítulo 6 detalha os resultados obtidos nas diversas fases do teste.
39
lii
CAPÍTULO 6
RESULTADO DOS TESTES EM LABORATÓRIO
Neste capítulo são apresentados os resultados dos testes preliminares
realizados em laboratório, com a efetuação das condições de resfriamento em
diferentes regiões dos anéis nos processos convencional e com inversão da face de
apoio durante o resfriamento.
6.1 Resultado do teste em laboratório com resfriamento convencional
Os resultados apresentados na tabela 6.1 detalham a análise de três peças e
ressaltam a existência de diferenças na troca de calor no resfriamento em diferentes
regiões dos anéis, sobretudo pela condição de troca de calor que ocorre com maior
intensidade na face da peça apoiada na base metálica da esteira.
Tabela 6.1 – Resultados do teste de laboratório com resfriamento convencional
Tempo (s)
Lado
sem
apoio ºC
Lado
apoiado
na base
ºC
Lado
sem
apoio ºC
Lado
apoiado
na base
ºC
Lado
sem
apoio ºC
Lado
apoiado
na base
ºC
Média
lado sem
apoio ºC
Média
lado
apoiado
ºC
Diferença
das
Médias
(ºC)
0,0 838 837 835 837 836 835 836 836 0
2,5 830 831 822 816 826 820 826 822 4
5,0 818 786 809 770 813 779 813 778 35
7,5 792 753 781 733 772 741 782 742 39
10,0 752 708 742 699 752 703 749 703 45
12,5 675 616 660 603 675 608 670 609 61
15,0 363 308 353 300 363 302 360 303 56
17,5 234 199 222 191 234 200 230 197 33
20,0 163 148 170 144 163 149 165 147 18
22,5 122 104 126 101 122 103 123 103 21
25,0 102 91 107 92 102 95 104 93 11
27,5 98 88 101 87 98 92 99 89 10
30,0 96 86 98 85 97 90 97 87 10
40
liii
Observa-se que as peças chegam à temperatura de início de
transformação martensítica, próximo a 220ºC, entre 15 e 17,5 segundos na face
apoiada na base. Por interpolação dos resultados, verifica-se que se chega a
essa temperatura em 17 segundos.
A figura 6.1 mostra graficamente a redução de temperatura em função do
tempo neste teste com resfriamento convencional para as médias das peças
analisadas.
Figura 6.1 – Diferenças de temperatura em diferentes regiões do anel no
resfriamento – teste de laboratório.
Foi analisada a velocidade de redução da temperatura em função do tempo
para observar a proporção de aumento de diferença entre as temperaturas em
regiões da mesma peça, conforme mostrado na tabela 6.2.
Temperatura x tempo - Processo convencional em laboratório
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0
s
ºC
Média lado sem apoio ºC Média lado apoiado ºC
41
liv
Tabela 6.2 – Redução de temperatura no resfriamento convencional
Com base nos valores das tabelas 6.1 e 6.2 verifica-se que a maior diferença
entre o lado sem apoio e com apoio ocorreu em aproximadamente 12,5 segundos,
com uma variação de 61ºC, de 670 ºC para 609ºC.
A diferença quando do início de transformação martensítica, em
aproximadamente 220ºC, foi entre de 56º C e 33ºC, na média desses valores 44ºC.
Portanto, ocorreu redução da diferença em mais de 15ºC. Essa diferença favorece
em relação à uniformização da temperatura na peça e no caso da inversão das
faces de apoio teria o efeito contrário, o que necessitou ser levado em consideração.
Em seguida foi calculado o ponto onde seria adequado efetuar a inversão das
faces do anel em relação ao apoio, observando que este deveria inverter a condição
de 61ºC de diferença e posteriormente o aumento de 15ºC observado nos testes,
levando-se em conta as taxas de redução em relação às temperaturas em relação
ao tempo. .Desta forma, obteve-se diferença de temperatura de 38ºC como o
momento adequado de inversão da face, que é a média da somatória das diferenças
de 61ºC (máxima amplitude) e 15ºC (redução após a máxima amplitude).
Conforme os resultados do teste apresentados na tabela 6.1, a diferença de
38ºC ocorreu entre 5 e 7,5 segundos, e por interpolação e arredondamento chegou-
se ao valor de 7 segundos.
Tempo (s)
Redução de
temperatura -
lado do apoio
(ºC / s)
Redução de
temperatura -
lado do apoio
(ºC / s)
0 ~ 2,5 4 6
2,6 ~ 5,0 5 18
5,1 ~ 7,5 13 14
7,6 ~ 10,0 13 16
10,1 ~ 12,5 31 38
12,6 ~ 15,0 124 122
15,1 ~ 17,5 52 43
17,6 ~ 20,0 26 20
20,1 ~ 22,5 17 18
22,6 ~ 25,0 8 4
25,1 ~ 27,5 2 1
27,5 ~ 30,0 1 1
42
lv
A figura 6.2 e a tabela 6.3 mostram a projeção de diferença de temperaturas
para a condição de inversão no instante calculado.
Figura 6.2 – Projeção para redução da diferença de temperatura
Projeção da redução de diferença de temperatura em regiões do
mesmo anel
0
10
20
30
40
50
60
70
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
s
Diferença entre as faces ºC
Processo convencional Processo com inversão
Inversão
Transformação
Martensítica
43
lvi
Tabela 6.3 – Projeção para redução da diferença de temperatura com inversão
6.2 Resultado do teste em laboratório com inversão durante o resfriamento.
Foi efetuado então um teste simulando as condições analisadas para verificar
o variação das temperaturas da peça, que são apresentadas na tabela 6.4; onde se
observa que se obteve redução da diferença de temperatura nas diferentes regiões
das peças. Houve, contudo, dispersão nos valores encontrados em função das
demais variáveis, como a taxa de redução de temperatura em função da estrutura
formada durante os patamares de resfriamento que atuam neste sistema.
Tempo
Diferença entre os lados
- processo convencional
Diferença entre os lados
- processo com inversão
0,0 0 0
2,5 4 4
5,0 35 35
7,5 39 38
10,0 45 23
12,5 61 27
15,0 56 12
17,5 33 14
20,0 18 4
44
lvii
Tabela 6.4 – Resultado das temperaturas no teste em laboratório com
inversão do lado apoiado.
A figura 6.3 mostra as diferenças de temperatura no teste convencional e no
teste com inversão da peça
Figura 6.3 Diferença das médias das temperaturas em diferentes regiões do anel
nos processos convencional e com inversão em laboratório.
Tempo (s)
Lado
sem
apoio ºC
Lado
apoiado
na base
ºC
Lado
sem
apoio ºC
Lado
apoiado
na base
ºC
Lado
sem
apoio ºC
Lado
apoiado
na base
ºC
Média
lado sem
apoio ºC
Média
lado
apoiado
ºC
Diferença
das
Médias
(ºC)
0,0 837 838 838 835 836 837 837 837 0
2,5 828 824 822 820 829 826 826 823 3
5,0 817 782 810 777 812 779 813 779 34
7,5 794 751 795 748 793 753 794 751 43
10,0 749 717 740 719 747 720 745 719 27
12,5 660 633 654 632 655 636 656 634 23
15,0 345 326 343 321 349 328 346 325 21
17,5 249 237 244 238 240 231 244 235 9
20,0 184 179 182 176 182 180 183 178 4
22,5 136 130 137 134 131 132 135 132 3
25,0 116 111 115 110 114 115 115 112 3
27,5 100 98 99 96 101 101 100 98 2
30,0 96 93 95 92 98 97 96 94 2
Comparativo dos processos
0
10
20
30
40
50
60
70
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5
s
Diferença de temperatura
entre as faces ºC
Processo Convencional Processo com inversão
45
lviii
6.3 Comparativo da distorção dimensional nos anéis
Foi efetuado um estudo comparativo da distorção dimensional nos anéis
tratados termicamente com os processos de resfriamento convencional, cujos
resultados são apresentados na tabela 6.5., e os resultados do teste com a inversão
da posição de apoio da face da peça, da tabela 6.6.
O estudo comparativo foi efetuado através da medição das extremidades do
diâmetro interno do anel, por ser o local com maior tendência de distorção.
Tabela 6.5 – Distorção dimensional dos produtos no teste de laboratório no processo
convencional - Unidade: centésimos de milímetro.
TROCA DE CALOR APENAS EM UM LADO DA PEÇA
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
1
6 -1 7 6 0 6 0 7
2
3 2 1 5 2 3 2 3
3
6 2 4 3 0 3 3 7
Média
5,0 1,0 4,0 4,7 0,7 4,0 1,7 5,7
Max
6,0 2,0 7,0 6,0 2,0 6,0 3,0 7,0
Min
3,0 -1,0 1,0 3,0 0,0 3,0 0,0 3,0
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
1
15 2 13 7 -4 11 8 19
2
18 4 14 4 -5 9 14 23
3
10 -1 11 6 -2 8 4 12
Média
14,3 1,7 12,7 5,7 -3,7 9,3 8,7 18,0
Max
18,0 4,0 14,0 7,0 -2,0 11,0 14,0 23,0
Min
10,0 -1,0 11,0 4,0 -5,0 8,0 4,0 12,0
LADO SEM APOIO LADO COM APOIO
CONICIDADE DISTORÇÃO TOTAL
DEPOIS DO TESTE - Ø INTERNO
ANTES DO TESTE - Ø INTERNO
LADO SEM APOIO LADO COM APOIO
CONICIDADE DISTORÇÃO TOTAL
46
lix
Tabela 6.6 – Distorção dimensional dos produtos no teste de laboratório no
processo com inversão - Unidade: centésimos de milímetro.
A análise dos resultados das tabelas 6.5 e 6.6 indica uma tendência de menor
distorção dimensional para os produtos que são resfriados com o processo de
inversão da face dos anéis.
Para analisar um maior número de dados foi efetuado um teste com dez
peças submetidas ao processo convencional e dez peças no processo com
inversão, com os resultados apresentados na tabela 6.7 e 6.8:
TROCA DE CALOR NOS DOIS LADOS DA PEÇA
Pç nº
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
4
6 0 6 5 0 5 2 6
5
4 1 3 5 1 4 2 4
6
3 0 3 4 2 2 1 4
Média
4,3 0,3 4,0 4,7 1,0 3,7 1,7 4,7
Max
6,0 1,0 6,0 5,0 2,0 5,0 2,0 6,0
Min
3,0 0,0 3,0 4,0 0,0 2,0 1,0 4,0
Pç nº
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
MAIOR MENOR
OVALIZAÇÃO
4
5 -3 8 6 2 4 1 9
5
6 -3 9 8 2 6 2 11
6
9 -3 12 7 -2 9 2 12
Média
6,7 -3,0 9,7 7,0 0,7 6,3 1,7 10,7
Max
9,0 -3,0 12,0 8,0 2,0 9,0 2,0 12,0
Min
5,0 -3,0 8,0 6,0 -2,0 4,0 1,0 9,0
DEPOIS DO TESTE - Ø INTERNO
LADO SEM APOIO LADO COM APOIO
CONICIDADE DISTORÇÃO TOTAL
ANTES DO TESTE - Ø INTERNO
LADO SEM APOIO LADO COM APOIO
CONICIDADE DISTORÇÃO TOTAL
47
lx
Tabela 6.7 – Distorção dimensional nas peças – processo convencional em
laboratório. Unidade: centésimos de milímetro.
TROCA DE CALOR APENAS EM UM LADO DA PEÇA
Pç nº
LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO
1
5 -2
7
6 0
6 8
2
2 1
1
4 2
2 3
3
5 2
3
2 0
2 5
4
4 -1
5
6 1
5 7
5
6 1
5
2 0
2 6
6
5 2
3
1 0
1 5
7
4 -2
6
6 1
5 6
8
4 0
4
8 2
6 8
9
3 1
2
4 3
1 3
10
5 -1
6
4 1
3 7
Média
4,4 0,2 4,2 4 0,6 3,4 5,8
Max 6 2 7 6 2 6 8
Min
2 -2 1 2 0 2 3
Pç nº
LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO
1
16 0
16
7 -8
15 24
2
10 4
6
4 -5
9 15
3
13 0
13
6 -2
8 15
4
14 5
9
7 -5
12 19
5
15 -1
16
10 -6
16 21
6
14 1
13
9 -5
14 19
7
13 2
11
8 -3
11 16
8
12 4
8
11 0
11 12
9
14 -1
15
10 -5
15 19
10
13 2
11
7 -2
9 15
Média 13,4 1,6
11,8
7,9 -4,1
12 17,5
Max
16 5 16 11 0 16 24
Min
10 -1 6 4 -8 8 12
DEPOIS DO TESTE - Ø DA BORDA
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
ANTES DO TESTE - Ø DA BORDA
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA
DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
48
lxi
Tabela 6.8 – Distorção dimensional nas peças – processo com inversão em
laboratório. Unidade: centésimos de milímetro.
A análise dimensional é comparada em termos de média e amplitude
conforme resultados apresentados nas figuras 6.4 e 6.5, para os processos
convencional e com inversão dos anéis, respectivamente.
TROCA DE CALOR APENAS NOS DOIS LADOS DA PEÇA
LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO
21
7 1
6
4 0
4 7
22 7 0
7
4 -1
5 8
23 4 0
4
5 2
3 5
24
5 2
3
3 0
3 5
25
5 -2
7
7 1
6 9
26
7 0
7
4 -1
5 8
27
3 0
3
4 2
2 4
28 6 2
4
4 -1
5 7
29
3 -2
5
6 0
6 8
30
4 0
4
6 2
4 6
Média
5,6 0,2
5,4
4,6 0,4
4,2 6,8
Max
7 2 7 7 2 6 9
Min
4 -2 3 3 -1 3 5
LADO MAIOR
LADO MENOR
OVALIZAÇÃO
LADO MAIOR
LADO MENOR
OVALIZAÇÃO
21
5 -3
8
7 2
5 10
22
5 -4
9
9 3
6 13
23
10 -3
13
11 -2
13 13
24 6 -6
12
10 2
8 16
25 8 6
2
11 0
11 11
26
7 -2
9
8 -2
10 10
27
5 -7
12
7 0
7 14
28
8 -3
11
10 0
10 11
29
5 -5
10
10 0
10 15
30 8 -1
9
10 -2
12 12
Média
6,8 -2
8,8
9,6 1
8,6 12,6
Max
10 6 13 11 3 13 16
Min
5 -6 2 7 -2 5 10
DEPOIS TESTE - Ø DA BORDA
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA
DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
ANTES TESTE - Ø DA BORDA
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
49
lxii
Figura 6.4 – Análise gráfica da distorção no processo convencional em laboratório
Figura 6.5 – Análise gráfica da distorção no processo com inversão em laboratório
Os resultados apresentados nas figuras 6.4 e 6.5 mostram uma média de 18
centésimos de milímetro e uma amplitude de 24 centésimos para o processo
! "
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(
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$$-
$$%
012# $/%&
!
#
50
lxiii
convencional, enquanto no processo com inversão obteve-se resultado de 13
centésimos de média e 16 centésimos de amplitude, indicando uma menor
tendência de distorção.
Foi efetuada então a análise da dureza, da micro-estrutura e o ensaio de
compressão do material, com os produtos apresentando resultados similares aos
dados normais de produção de materiais.
Com base nestes resultados foram então efetuadas as verificações em
condições de produção, que são apresentadas no capítulo 7.
51
lxiv
CAPÍTULO 7
RESULTADOS NO PROCESSO PRODUTIVO EM FORNO
DE ESTEIRA CONTÍNUO
Neste capítulo é demonstrada a aplicação prática da inversão das faces de
apoio das peças durante o resfriamento no ambiente de tratamento térmico com
fornos contínuos, para verificar os resultados dessa prática e seus reflexos na
distorção dimensional dos produtos.
7.1 Descrição dos equipamentos de tratamento térmico em fornos
contínuos.
Os meios utilizados para o tratamento térmico dos anéis de rolamento estão
descritos na tabela 7.1.
Tabela 7.1 : Descrição de componentes do tratamento térmico
Equipamento / Componente Capacidade/Detalhe Fabricante
Forno de aquecimento a gás. Capacidade de 200 kg/h Aechilin
Óleo de têmpera Dairoll N101 Dairoll N101 Daido
Atmosfera protetora do forno Nitrogênio, metanol Air products.
Tanque de óleo Altura de 2.5 metros e
capacidade de 20000 litros
Aechilin
Termopares de controle de
temperatura
Tipo K, precisão 0,25%. Ecil
Os produtos utilizados possuem o mesmo dimensional dos anéis utilizados no
teste preliminar, ou seja:
- diâmetro externo de 62 mm.
52
lxv
- diâmetro interno de 52 mm.
- largura de 16 mm.
As condições de tratamento térmico também foram repetidas:
- Temperatura do forno: 840°C de média durante o processo de aquecimento
dos anéis.
- Temperatura do óleo de resfriamento: 100°C.
- Tempo de permanência no forno: 15 minutos.
Para a efetuação da inversão da face de apoio dos anéis dentro das
condições requisitadas, inicialmente utilizou-se a própria esteira de remoção dos
anéis após o resfriamento. Porém, como esta operação não se mostrou eficiente em
termos de promover a efetiva inversão das faces no tempo desejado, foi optado pela
confecção de um dispositivo que coletasse as peças no fundo do tanque de óleo de
resfriamento e assegurasse a inversão no tempo adequado.
O dispositivo confeccionado consiste em uma caixa com o sistema de tampa
móvel. Essa caixa foi fixada a uma barra de sustentação de 3,5 m de comprimento,
que permite que o dispositivo chegue até o fundo do tanque de resfriamento. Para
possibilitar a inversão das peças foi inserido um sistema de tampa com
movimentação ( abre e fecha ), realizada por meio da ação de um cabo disposto ao
lado da barra de sustentação. As figuras 7.1 e 7.2 detalham o dispositivo.
Figura 7.1 – Dispositivo para coleta de peças no tanque de óleo
53
lxvi
Figura 7.2 – Barra de sustentação e cabo para abrir e fechar o dispositivo
Conforme efetuado nos testes preliminares em laboratório, as faces de apoio
dos anéis na esteira foram invertidas após sete segundos. Foi também efetuado,
para possibilitar um estudo comparativo, o processamento simultâneo de anéis do
mesmo lote de fabricação na condição normal de processo, ou seja, sem inversão
das faces de apoio.
Em todos os testes foi efetuada a numeração das peças, como mostra a
figura 7.3, e o comparativo da distorção dimensional antes e após o tratamento
térmico.
Figura 7.3 – Peças numeradas para efetuar os testes
54
lxvii
7.2 – Resultados da distorção dimensional para o processo
convencional
As tabelas 7.2 e 7.3 apresentam, respectivamente, os resultados antes e
após o tratamento térmico convencional.
Tabela 7.2 – Resultados da distorção dimensional antes do tratamento convencional.
Tabela 7.3 – Resultado da distorção dimensional após o processo
convencional.
Observa-se que os valores de distorção dimensional são praticamente
semelhantes aos obtidos nos testes preliminares em laboratório.
Pç nº
LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO
1
2 -2 4 3 0 3 5
2
0 -2 2 3 -1 4 4
3 3 1
2
0 -4
4 7
4
1 -1 2 3 -2 5 4
5
1 -2 3 2 2 0 4
6 3 0
3
4 3
1 4
7
2 2 0 0 -2 2 4
8
2 -3 5 2 -2 4 5
9 4 3
1
3 0
3 4
10
3 0 3 2 0 2 3
Média
2,1 -0,4 2,5 2,2 -0,6 2,8 4,4
Max
4 3 5 4 3 5 7
Min
0 -3 0 0 -4 0 4
ANTES DO TRATAMENTO CONVENCIONAL
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA
DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
Pç nº
LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO
1
6 -9 15 12 -2 14 21
2
3 -9 12 3 -6 9 15
3 13 -2
15
5 -4
9 17
4
6 -6 12 11 -5 16 17
5
16 -2 18 12 -5 17 21
6 12 -2
14
5 -6
11 18
7 14 2
12
7 -4
11 18
8
8 -7 15 12 0 12 19
9
5 -3 8 11 -3 14 14
10 14 -1
15
6 -3
9 17
Média
9,7 -3,9 13,6 8,4 -3,8 12,2 17,7
Max
16 2 18 12 0 17 21
Min
3 -9 8 3 -6 9 14
Min
3 -9 8 3 -6 9 14
APÓS O TRATAMENTO CONVENCIONAL
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA
DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
55
lxviii
7.3 Resultado da distorção dimensional no processo com inversão das
faces dos anéis.
As tabelas 7.4 e 7.5 apresentam, respectivamente, os resultados antes e
após o tratamento térmico com inversão das faces dos anéis.
Tabela 7.4 – Resultados antes do tratamento com inversão das faces.
Tabela 7.5 Resultados após o tratamento com inversão das faces.
Observa-se que os materiais verificados apresentaram resultados de
distorção dimensional próximos aos obtidos nos testes efetuados em laboratório,
com redução da distorção dimensional nos anéis.
Pç nº
LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO
1
0 -2 2 0 -1 1 2
2
4 -2 6 4 -1 5 6
3 5 1
4
2 -4
6 9
4
3 -1 4 3 -1 4 4
5
0 -2 2 4 2 2 6
6 3 0
3
4 0
4 4
7
2 -2 4 1 -2 3 4
8
4 -3 7 2 -1 3 7
9 2 -3
5
2 0
2 5
10
3 0 3 5 0 5 5
Média
2,6 -1,4 4 2,7 -0,8 3,5 5,2
Max
5 1 7 5 2 6 9
Min
0 -3 2 0 -4 1 2
ANTES DO TRATAMENTO COM INVERSÃO
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA
DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
Pç nº
LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO LADO MAIOR LADO MENOR OVALIZAÇÃO
1
6 -2
8
10 0
10 12
2
6 -5
11
9 -1
10 14
3
9 -3
12
8 -4
12 13
4
5 -7
12
8 2
6 15
5
7 -2
9
11 -1
12 13
6
7 -3
10
8 -2
10 11
7
7 -5
12
7 -2
9 13
8
8 -2
10
10 -1
11 12
9 6 -6
12
10 -2
12 16
10 8 -1
9
10 -2
12 12
Média 6,6 -3,6
10,4
9,2 -0,8
10 13,4
Max 9 -1 12 11 2 12 16
Min
5 -7 8 7 -4 6 11
DEPOIS DO TRATAMENTO COM INVERSÃO
LADO C/ MARCA LADO S/ MARCA
DEFORMAÇÃO
MÁXIMA
56
lxix
7.4 – Comparativo dos resultados dos processos convencional e com a
inversão de faces dos anéis.
A figura 7.4 mostra o gráfico de distribuição dos valores de distorção
dimensional dos anéis no processo convencional, enquanto a figura 7.5 mostra o
gráfico para os anéis tratados termicamente com o processo de inversão das faces
de apoio, onde se verifica que o maior valor de distorção dimensional no processo
com inversão é 24% menor que o processo convencional.
Figura 7.4 – Gráfico de dispersão da distorção dimensional dos produtos tratados
em processo convencional.
3
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57
lxx
Figura 7.5 – Gráfico de dispersão da distorção dimensional dos produtos tratados
em processo com inversão.
Como resultado observa-se a menor variação dimensional dos produtos
tratados com a inversão de faces, em valores aproximados aos obtidos nos testes
efetuados em laboratório, o que indica uma condição de similaridade entre as
situações analisadas.
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58
lxxi
CAPÍTULO 8
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos na condição de produção e nos testes em laboratório
indicam a redução da distorção dimensional com a aplicação do processo de
inversão da face de apoio.
Essa redução apresentou valores significativos, próximas a 20%, o que
proporciona melhores condições para a usinagem dos processos posteriores e para
o balanceamento dos produtos em relação aos erros de forma.
A aplicação da inversão de faces dos anéis proporciona uma melhor condição
de homogeneidade da temperatura nas peças, por conseqüência, melhor
homogeneidade na formação das estruturas. Isso se associa à melhoria ocorrida no
resfriamento decorrente dos processos de ebulição do óleo, que ocorre de forma
mais aproximada em relação às diferentes regiões dos anéis e em relação à ação de
perda de calor pela base da esteira metálica.
As distorções dimensionais nos produtos tratados termicamente ocorrem por
diversos fatores, que podem interagir entre si, o que dificulta a análise dos dados.
Para possibilitar uma análise das interferências se faz necessário o controle das
variáveis:
- Material: A homogeneidade da estrutura do material tem papel importante,
pois as estruturas formadas são dependentes desta homogeneidade em conjunto
com as condições de processamento. A variação dos percentuais dos elementos
químicos tende a ser um fator gerador de composições diferentes, que ao ocorrerem
no mesmo produto acarretam distorção dimensional.
- Temperatura de aquecimento do produto: Flutuações nas temperaturas em
diferentes regiões das peças podem interferir na formação das estruturas do
material; o que está correlacionada também ao material empregado.
- Tempo de permanência no aquecimento, que está correlacionado à
formação das estruturas.
59
lxxii
- Temperatura do resfriamento do produto, que pode trazer impacto na
diferença de temperatura entre a parte externa e a parte do núcleo das peças, o que
tende a impactar na formação de estruturas.
- Tipo de resfriamento, onde a aplicação de meios mais ou menos turbulentos
ocasiona resfriamentos diferenciados nas peças, que se associam à formação de
estruturas.
- Condição da troca de calor da peça com o meio de resfriamento, que tende
a proporcionar maiores diferenças de temperatura em regiões do produto quando os
regimes são mais turbulentos e quando a diferença de temperatura entre o produto e
o meio onde o resfriamento ocorrerá aumenta.
8.1 Continuidade do trabalho
A seguir são apresentadas algumas sugestões para continuidade do trabalho,
visando melhoria das condições de tratamento térmico. dos anéis de rolamento em
fornos de esteira contínuos. :
- estudar a possibilidade das peças trocarem calor com o óleo sem o contato com a
esteira, para que ocorra troca de calor de forma mais homogênea na peça durante
o processo de resfriamento.
- utilizar condições controladas de resfriamento dentro da faixa de transformação
adequada, de forma a reduzir a diferença entre a peça aquecida e o meio de
resfriamento.
- alterar as propriedades do material para proporcionar uma transformação mais
branda.
60
lxxiii
CAPÍTULO 9
Referências Bibliográficas
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lxxiv
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62
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