Inovação em equipamentos a vácuo - Industrial Heating
Publicado por Daniel H. Herring em 16 de janeiro de 2016
Em termos simples, inovação corresponde à introdução de um novo método, ideia ou produto no mercado, que representa uma mudança ou avanço revolucionário (no sentido oposto a evolucionário) e leva, frequentemente, a um avanço tecnológico para a indústria alvo relacionada.
O Doutor em Tratamento Térmico ama inovação e, mesmo que este artigo não tenha o propósito de fazer publicidade para alguma empresa ou produto e nem de ser comercial, alguns projetos de fornos a vácuo se mostraram muito interessantes aos olhos do Doutor e merecem receber nossa atenção. Vamos aprender um pouco mais.
Como todos sabemos, muitas aplicações atuais de engenharia têm alta importância e, por isso, demandam controle absoluto, reprodutibilidade de processos e a maior qualidade possível. As seguintes inovações em equipamentos – sem seguir alguma ordem de relevância – ajudam os tratadores térmicos a cumprir esses objetivos.
Inovação 1: Soluções para Processamento de Peças Complexas, Grandes e Pesadas
Fornos-carro a vácuo (Fig. 1) foram desenvolvidos para tratar componentes grandes, pesados e de longas extensões horizontais. Inicialmente, estes fornos apresentavam 3,6 m de comprimento de zona de aquecimento, depois, progrediram para 7,2 m e, eventualmente, foram construídos alguns com 11 m de comprimento. A maior vantagem desse tipo de forno é a capacidade de processar até 45 toneladas e, ao mesmo tempo, de incorporar elementos de aquecimento sob a carga e ao redor da zona de calor.
Demandas recentes das indústrias aeroespacial e nuclear levaram ao desenvolvimento de fornos com 14,6 m de comprimento e 2,1 m de diâmetro, capazes de tratar cargas de até 68 toneladas a 1315°C. Carros de duplo carregamento são usados para carregar/descarregar as duas extremidades do forno, diminuindo, assim, as perdas de tempo de produção (já foi provado que este método aumenta a capacidade do forno em até 30%) ao se trabalhar com cargas muito grandes.
Fornos-carro a vácuo têm a habilidade única de processar termicamente materiais sensíveis como as ligas de titânio, de zircônio, aços inoxidáveis endurecidos por precipitação e ligas de níquel, além de atender às especificações de limpeza de superfície dos materiais após os tratamentos térmicos. Isto é alcançado, em parte, pelas seguintes características:
– Os fornos possuem sistemas de vácuo altamente eficientes, que incluem bombas mecânicas triplas, propulsores de vácuo e bombas de difusão (Varian 35 polegadas);
– Parede interna fria de aço inoxidável, que se mantém inerentemente mais limpa do que uma parede fria de aço carbono;
– O carro do forno (ou seja, base removível do forno na qual o material a ser tratado é colocado e que fica exposta ao ar durante o carregamento) contém quantidade menor do que o normal de feltro isolante de grafite, diminuindo a contaminação do produto quando fora do forno.
Inovação 2: Soluções para Processamento do tipo Near-Net-Shape
A metalurgia do pó representa um dos mercados em que o crescimento rápido e a diversidade de produtos são características marcantes. Nesta área industrial, a moldagem de metais por injeção é uma das tecnologias near-net-shape (método de produção em que a matéria-prima atinge rapidamente a forma final desejada, precisando de menos etapas de acabamento superficial ou de nenhum acabamento) usadas para produzir componentes de alta performance e precisão, como dispositivos médicos e odontológicos, peças de telefones celulares, armas de fogo, fechaduras, entre outros. Materiais tipicamente usados são: aços inoxidáveis, aços baixa-liga, aços ferramenta, ligas especiais para aplicações magnéticas e de implantes, metais duros (WC-50, WC-10Co) e ligas refratárias.
Fornos a vácuo de câmara unitária (Fig. 2) consistem em uma das soluções (a outra solução corresponde ao vácuo contínuo) que permitem o processamento near-net-shape da ampla gama de materiais existentes. Estes fornos, dependendo do projeto específico, oferecem flexibilidade para escolha dos ciclos de tratamentos térmicos, determinação do melhor tipo de atmosfera para o processo em questão (argônio, hidrogênio, etc) e a possibilidade de se fazer debinding secundário (nota do editor: ou seja, extração do sistema aglutinante usado no corpo verde densificado, antes da sinterização) e sinterização das partículas em uma peça única.
Inovação 3: Manufatura Enxuta (Lean Manufacturing) por meio de Soluções de Processamento para Pequenas Bateladas
A integração dos tratamentos térmicos aos demais métodos de fabricação e de processamento tem sido o objetivo dos profissionais da área há muito tempo. Isso permite a sincronização com operações de usinagem macia (usinagem do material antes de tratamentos térmicos), para produção de pequenas bateladas de peças em linha e sob demanda, satisfazendo as necessidades dos centros de manufatura. A meta desta prática é reduzir o custo unitário de produção e aumentar a eficiência.
O processo apresenta benefícios importantes, como: menores tempos de ciclos (alcançados ao se otimizar processos de têmpera ou de cementação para pequenas bateladas), controle da superfície da peça, minimização das distorções da peça (enquanto a temperatura de tratamento é mantida uniforme) e reprodutibilidade dos ciclos (a empresa consegue produzir peças de igual qualidade, 24 h / 7 dias na semana).
As peças são alocadas em uma grade (Fig. 3, esquerda) que é, então, transportada pelo sistema para passar pelos tratamentos de têmpera ou de têmpera de superfície (cementação ou carbonitretação). No exemplo dado pela Fig. 3 (direita), lâminas serradas de aço rápido são temperadas a 1150-1200°C e mantidas nessas temperaturas por 5 a 7 minutos, a fim de se produzir a microestrutura desejada nos dentes e na região posterior da lâmina. Em outras aplicações, como cementação de engrenagens, temperaturas de austenitização de 1040°C são usadas.
Inovação 4: Soluções para Processamento do tipo Single-Piece ou Fluxo Contínuo
As indústrias continuam no esforço para desenvolver o verdadeiro fluxo contínuo de produção, ou Single-Piece Flow, e o sistema Unicase Master (Fig. 4) foi projetado para fazer tratamentos de têmpera, ou de endurecimento de superfície, para grandes volumes de engrenagens automotivas e mancais. O sistema transporta peças unitárias por todo o trajeto do processo, permitindo o aquecimento e a têmpera 4D (4D Quenching) individuais para cada peça. Com a têmpera em 4D, o gás de resfriamento (gás de têmpera) segue os contornos de cada componente que está sendo tratado. O método 4D Quenching representa, possivelmente, um avanço revolucionário para o controle de deformação de peças durante a têmpera.
O sistema Unicase Master é ambientalmente limpo, enxuto, ágil e satisfaz todas as demandas de produtividade das indústrias de engrenagens e mancais. Ao mesmo tempo, o sistema otimiza a flexibilidade de processamento e a velocidade operacional ao se utilizar das tecnologias de cementação a baixa pressão (LPC) e de têmpera a gás de alta pressão (HPGQ).
Progredir significa se movimentar em direção a um objetivo específico que, no caso da área de tratamentos térmicos, é oferecer as melhores soluções tecnológicas com os preços mais competitivos para outros setores da indústria. O progresso somente pode ser alcançado pela inovação e troca de ideias entre os profissionais da comunidade de tratamentos térmicos. Se o seu produto ou serviço não foi mencionado aqui, determine para sua empresa e para si o objetivo de estar presente nesta revista da próxima vez. O Doutor estará de olho.
[1] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treatment, BNP Media, 2012;
[2] Mr. William R. Jones, Solar Atmospheres, technical contributions and private correspondence;
[3] Mr. Stefan Joens, Elnik Systems, technical contributions and private correspondence;
[4] Mr. William Gornicki, ALD-Holcroft, technical contributions and private correspondence;
[5] Mr. Maciej Korecki, SECO/WARWICK Corporation, technical contributions and private correspondence;
[6] Loser, Klaus and Volker Heuer, "Syncrotherm® – Heat Treatment System and Processes for Lean Production," 2015 Heat Treat Conference & Exposition, Conference Proceedings, ASM International, Oct. 2015;
[7] Korecki, Maciej, "In-line, Low Distortion, Precision Case Hardening for the Automotive Transmission and Bearing Industries," Conference Proceedings, Heat Treat Summit North America, SECO/WARWICK Corporation, Sept. 201.
Fig.1. Carga de titânio para recozimento a vácuo (Cortesia da Solar Atmospheres, Inc)
Fig. 2. Zona de aquecimento do forno de sinterização MIM (Cortesia da Elnik Systems LLC)
Fig. 3. Endurecimento de lâminas serradas de aço rápido ( Cortesia da ALD-Holcroft)
Fig. 4. Transporte de carga em um forno LPC e HPGQ (Cortesia da SECO/WARWICK)
Existe um método simples e muito eficiente que pode ser usado para quantificar o desempenho de nossos fornos - o Teste do Anel em C da Marinha Americana: Uma Ferramenta Prática para o Tratador Térmico