LABORATÓRIO DA FUNDIÇÃO RELATÓRIO 001/13 ESTUDO …foundrygate.com/upload/artigos/ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA... · TRATAMENTO TÉRMICO DE AUSTENITIZAÇÃO INTRODUÇÃO Para o

Metalúrgica Spillere Ltda. Rua João Sacheti, 800 – CEP 88868-000. Caravaggio – Nova Veneza – SC.Fone: (48) 3436-6600. Site: www.spilere.com.br

LABORATÓRIO DA FUNDIÇÃORELATÓRIO 001/13

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA TEMPERATURA DA ÁGUA DA PISCINA NOTRATAMENTO TÉRMICO DE AUSTENITIZAÇÃO

INTRODUÇÃO

Para o aço manganês apresentar a adequada condição de uso, ele deve ser entregue ao clientecom a sua matriz totalmente austenítica, para isso é realizado o tratamento térmico de austenização.Neste tratamento o material após chegar à fase austenítica dentro do forno ele é imerso em água, atemperatura ambiente, para reduzir rapidamente a sua temperatura, garantindo que não haja temposuficiente para a transformação de outras fases prejudiciais ao desempenho do mesmo.

No cenário atual a empresa trata3 grelhas em cada fornada, o estudo visa avaliar ocomportamento da temperatura da água ao longo da imersão das três grelhas.

OBJETIVOS

O presente trabalho pretende avaliar a variação de temperatura da água da piscina detratamento térmico quando é realizado o tratamento térmico de austenitização.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para medir a temperatura das peças foi utilizada uma pistola de infravermelho. A temperaturada água foi medida em intervalos sequencias com o auxilio de um termômetro de mercúrio. Alémdisso, foi realizado o acompanhamento da temperatura do forno ao longo do tratamento com oauxílio de 4 termopares em posições específicas do forno: os termopares 1 e 2 foram instalados naparte dianteira e traseira no forno, medindo respectivamente, a temperatura da primeira e terceiragrelha. O termopar 3foi instalado no meio da parede lateral do forno, a uma altura de 1200 mm emrelação ao solo. Já o termopar de controle é o utilizado para o registro da temperatura do sistemaautomático do forno (Figura 1). Iniciado o tratamento, as temperaturas de cada termopar foramcoletadas a cada 30 minutos e registradas.

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Figura 1 – Localização dos termopares.

Foi colocado um conjunto de 2 corpos de prova, um cilíndrico e outro retangular, (Figura 2)em cada grelha para posterior exame metalográfico e de dobramento.

Figura 2 – Corpo de prova usado.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os Gráficos 1,2 e 3 mostram a curva de temperaturas de cada termopar instalado durante otratamento de número de corrida 12168, 12300 e 12627.

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Gráfico 1 – Comportamento térmico do forno, corrida 12168.


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A Tabela 1 mostra as temperaturas que os termopares atingiram no patamar de 1080oC paraas três corridas estudas.

Tabela 1 – Temperatura no patamarTemperatura no patamar de 1080oC

Corrida Termopar 1 Termopar 2 Termopar 312168 985 1011 107212300 992 1025 106712627 992 1001 1063

A Tabela 2 mostra o momento em que foram retiradas as grelhas para os três tratamentos.

Tabela 2 - Tempo no patamar

Corrida 1a Grelha 2a Grelha 3a Grelha12168 04:50 05:10 05:4012300 04:00 04:30 05:0012627 04:20 05:25 05:55

Tempo de permanência da cada grelha no patamar

Isso significa que, para a corrida 12168, a segunda e a terceira grelha ficaram,respectivamente, 7,8% e 18,0% de tempo a mais no patamar do que a primeira grelha. Já para acorrida 12300 estes valores são de 12,5% e % 25% e para última corrida essa diferença é de 25% e36,3%.

As Tabelas 3, 4 e 5 mostram os dados obtidos para a primeira, segunda e terceira grelha a serdescarregada do forno paras os três tratamentos realizados.

Os Gráficos 4, 5 e 6 mostram os dados obtidos nas Tabelas 3, 4 e 5 respectivamente

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Tabela 3 – Dados obtidos para a primeira grelha.

Corrida 12168 Corrida 12300 Corrida 12627Temperatura ambiente (oC) 31 26,3 - 30 23

Temperatura as peças na saída do forno (oC) 848 844

Tempo (mim) Temperatura da água (oC)0 23 27 252 32 41 354 34 42 396 34,8 42,5 388 35 42 38

10 35 42 3814 35 41,5 3818 37,522 37,226 3730 36

Temperatura da água após a retirada das peças(oC) 34 41 36

Temperatura de saída das peças (oC) 39 - 44 45 - 46 39 - 37Temperatura das peças após 2 mim (oC) 39 - 40 49 35 - 36

Temperatura das peças após 20 mim (oC) 30 - 36 39 - 40 34 -35

Observações:Abertura da entrada de ar 30 - 50% 50% 50%

Tempo de permanência da grelha na água 18 mim 16 min 30 minPeso da grelha (kg) 2490 2563 2071

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Gráfico 4 – Comportamento da temperatura da piscina de tratamento com a imersão da 1ª grelha.Tabela 4 – Dados obtidos para a segunda grelha.


Temperatura as peças na saída do forno (oC) 863 862 848

Tempo (mim) Temperatura da água (oC)0 34 41 392 41,1 53 514 43,2 55,3 526 47,5 56 528 48 55,5 52

10 47 55 5214 46,2 53,2 49,518 46,5 52,8 49,522 45,5 51 48,726 45 5030 48,834 47,5

Temperatura da água após a retirada das peças(oC) 44,5 47 47

Temperatura de saída das peças (oC) 45 - 46 47,5 45 - 47Temperatura das peças após 2 mim (oC) 43 - 45 45 - 46 37 - 44

Temperatura das peças após 20 mim (oC) 35 - 42 42 38 - 41

ObservaçõesA abertura da entrada de ar 40% 100% 100%

A saída de água permaneceu em 50% 100% até 18 min, após50%. 50%

A entrada de água permaneceu em 100% 100% 100%Tempo de permanência da grelha na água 28 min 35 min 22 min

Peso da grelha (kg) 2019 2500 2340

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Gráfico 5 – Comportamento da temperatura da piscina de tratamento com a imersão da 2ª grelha.Tabela 5 – Dados obtidos para a terceira grelha.


Temperatura as peças na saída do forno (oC) 896 880

Tempo (mim) Temperatura da água (oC)0 43 47 472 54 60 614 54,5 60,4 666 55,5 60,8 65,88 55,8 60 66

10 55 60 6614 54 58 6318 54 57,5 6322 52,5 56,2 6226 52 55 60,530 51,5 53 59,834 49,8 52 59,838 49 51,5 58,542 48 51 5848 46,5 49,5 57

Temperatura da água após a retirada das peças(oC) 46,5 47 55

Temperatura de saída das peças (oC) 44 - 45 45 - 46 53Temperatura das peças após 2 mim (oC) 39 - 41 43 - 44 50 - 52

Temperatura das peças após 20 mim (oC) 29 - 31 36 - 37 45 - 46

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Observações

A abertura da entrada de ar 40% 100% 100% até 5 min, após50%.

A saída de água permaneceu em 50% 50% 50%A entrada de água permaneceu em 100% 100% 100%

Tempo de permanência da grelha na água 48 min 54 mim 53 minPeso da grelha (kg) 2172 2480 3530

Gráfico 6 – Comportamento da temperatura da piscina de tratamento com a imersão da 3ª grelha.

O Gráfico 7 mostra um acompanhamento geral do aumento da temperatura da água ao longodas três grelhas.

Gráfico 7 - Acompanhamento do aumento da temperatura da água ao longo das grelhas.

Fazendo uma análise mais detalhada das temperaturas encontradas ao longo dos tratamentostemos as Tabelas 6, 7 e 8.

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Tabela 6 – Temperatura máxima que a água atingiu em cada grelha para os três tratamentos.Temperatura máxima atingida no tratamento (oC)

Corrida 1a Grelha 2a Grelha 3a Grelha12168 35,0 48,0 55,812300 42,5 56,0 60,812627 39,0 52,0 66,0

Como era esperado a maior temperatura da água foi atingida na terceira grelha. A Tabela 7faz o seguinte raciocínio: a temperatura máxima atingida para cada grelha menos a temperaturainicial da água de cada específica grelha, para os 3 tratamentos estudados.

Tabela 7 – Variação da temperatura da água ao longo de cada grelha.ΔT = Temperatura máxima - Temperatura inicial (oC)

Corrida 1a Grelha 2a Grelha 3a Grelha12168 12,0 14,0 12,812300 15,5 15,0 13,812627 14,0 13,0 19,0

Observa-se que a variação de temperatura entre a entrada e a saída de cada grelha fica entre12 a 15oC, com exceção a terceira grelha que apresentou uma diferença de 19oC, contudo isso éexplicado pelo maior peso que esta grelha tinha (3530kg) quando comparado as outras (2172 –2480kg) dos outros tratamentos.

Tabela 8 - Variação máxima de temperatura que ocorreu ao longo de cada tratamento.

Corrida Temperaturamínima do TT

Temperaturamáxima do TT

T máx - T mín

12168 23,0 55,8 32,812300 27,0 60,8 33,812627 25,0 66,0 41,0

A Tabela acima mostra que a maior variação ocorreu no tratamento 12627, o que é explicadounicamente pela maior massa de material tratado em sua terceira grelha, pois como um todo otratamento 12300 também teve um total tratado bem similar, contudo esse peso foi distribuído maishomogeneamente entre as grelhas, como pode ser visto na Tabela 9.

Tabela 9 – Distribuição do peso das grelhas.Peso de cada grelha (kg)

Corrida 1a Grelha 2a Grelha 3a Grelha TotalTratado

12168 2490 2019 2172 668112300 2563 2500 2480 754312627 2071 2340 3530 7941

A composição química do material estudado esta na Tabela 10. A Figura 3 mostra o diagramaFe-C para um percentual de 13% de Mn.

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Tabela 10 – Composição química.

C Si Mn P S Cr Ni Mo Zr Ce La12050 1,23 0,79 12,43 0,046 0,014 2,03 0,329 0,084 0,014 0,014 <0,005

Corridado Forno

Composição química (%)

Figura 3 – Diagrama Fe-C para 13% de Manganês.

Observa-se que para a composição química do material estudado a temperatura mínima deaustenitização é de 945oC, contudo devido a fatores de segurança deve-se aumentar essa temperaturaem 50oC (995oC) para garantir que o material fique realmente austenitizado. O termopar 1 nãoatingiu a temperatura mínima de 995oC, ficando em 985oC (corrida 12168), 992oC (corrida 12300) E994oC (corrida 12627) isto prejudica a transformação austenítica do material, bem como a dissoluçãode carbonetos existentes no material.

Na Figura 4 é mostrado o aspecto metalográfico dos corpos de prova cilíndricos para aamostra bruta de fusão e da primeira grelha para os três tratamentos. Em todas as amostras verificou-se a presença de dendritas.

Na amostra bruta de fusão observou-se a presença de muitos carbonetos, principalmente naregião central da amostra, onde os carbonetos apresentaram-se de forma grosseira. Os carbonetosestavam distribuídos tanto no interior dos grãos quanto em seu contorno.

As grelhas 1 das corridas 12627 e 12168 apresentaram o mesmo volume de carbonetos,contudo para a amostra da corrida 12627 os carbonetos estavam mais finamente distribuídos. Acorrida 12300 foi a que apresentou melhor aspecto. A presença destes carbonetos para amostragrelha 1 da corrida 12168, está relacionado a temperatura na qual o material ficou exposto (985oC),que foi insuficiente para a total dissolução destes carbonetos. A região central da amostra é a quemais apresenta carbonetos, isso devido ao fenômeno de segregação do material causado pelasdiferentes taxa de solidificação que o mesmo sofreu.

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Figura 4 – Amostra bruta de fusão em comparação com as amostras retiradas da 1ª grelha de cadatratamento.

Nas análises das grelhas 2 e 3 observou-se que o número de carbonetos cresce do primeirotratamento em direção ao terceiro. (Figuras 5 e 6)

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As Figuras 4, 5 e 6 analisaram individualmente grelhas na mesma posição para os três tratamentos,contudo é importante também que analisando cada tratamento como um todo, para os três casos, aquantidade de carbonetos diminuiu da primeira grelha em direção a última grelha.A presença de carbonetos em si, não é um fator não é prejudicial, desde que estejam no interior dogrão, pois não afetam a tenacidade do material e ainda auxiliam contra o desgaste. Contudo quandoestes estão localizados no contorno do grão eles podem gerar a quebra do material em serviço. ATabela 11 mostra a quantidade de carbonetos encontrados no contorno de grão para cada grelha.

Tabela 11 – Carbonetos no interior do grão.

Grelha Tratamento Carbonetos docontorno de grão

1 12168 alguns1 12300 raros1 12627 bastante2 12168 raros2 12300 poucos2 12627 alguns3 12168 raros3 12300 raros3 12627 poucos

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Com relação ao tamanho de grão (TG) encontrado nas amostras temos a Tabela 12. O TG foiavaliado somente nas amostras cilíndricas devido ao fato de esta ter uma menor interferência comrelação a frentes de solidificação. É importante relembrar que quanto menor o numero do tamanho degrão, maior ele é.

Tabela 12 - Tamanho de Grão encontrado.Amostra Tamanho de Grão

Bruta de fusão 0 a 1

Tratamento 121681a Grelha 1 a 2

2a Grelha 1 a 2

3a Grelha 0 a 3


2a Grelha 0 a 3

3a Grelha 0 a 3


2a Grelha 0 a 3

3a Grelha 0 a 3

Observou-se que com o passar das grelhas o tamanho de grão vai aumentando, o que já era esperado.O teste de dobramento foi realizado com o auxílio da prensa hidráulica da expedição. Como émostrado na Tabela 13, o ângulo de dobramento aumentou da primeira grelha para a terceira grelhapara as corridas 12168 e 12627.O resultado apresentado na 3 grelha da corridas 12300 mostra que o material não apresentou odobramento esperado, ou seja, um dobramento maior dos que as outras grelhas subsequente domesmo tt, isso é devido a temperatura que a água atingiu durante a imersão, superando os 60oC.

Tabela 13 – Teste de dobramento.Ângulo de dobramento (o)

Corrida Bruto de fusão 1a Grelha 2a Grelha 3a Grelha12168 0 54,2 54,7 55,412300 0 50,78 51,83 42,7412627 0 29 31,8 40

Após o ensaio de dobramento foi realizado o exame metalográfico de seções próximas à região dedobramento para ver se há o surgimento de maclas. A presença de maclas é importante porque fazcom o material tenha uma melhor resposta no seu processo de encruamento, já que o surgimento damaclas reduz o livre caminho médio no qual as discordâncias poderiam passar sem sofrereminterrupção. A Tabela 14 mostra os resultados encontrados, bem como um geral dos outrosparâmetros avaliados.

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Tabela 14 – Número de maclas encontradas e outros dados.

Grelha Tratamento carbonetos docontorno de grão

Tempo de permanência dacada grelha no patamar

Ângulo dedobramento

(o)

Número demaclas

1 12168 alguns 04:50 54,2 poucas1 12300 raros 04:00 50,78 algumas1 12627 bastantes 04:20 29 bastantes2 12168 raros 05:10 54,7 poucas2 12300 poucos 04:30 51,83 bastantes2 12627 alguns 05:25 31,8 bastantes3 12168 raros 05:40 55,4 bastantes3 12300 raros 05:00 42,74 algumas3 12627 poucos 05:55 40 bastantes

Com os resultados da tabela acima podemos concluir que os menores ângulos de dobramento para asamostradas do tratamento 12627 está associado a presença de carbonetos no contorno de grão dessasamostras, o que por consequente esta associado a temperatura no qual o forno estava.Foi observado que a primeira grelha de cada tratamento especifico apresentou um maior números decarbonetos o contorno de grão quando comparada com as demais grelhas, esta incompleta dissoluçãoé devido a temperatura atingida ser insuficiente nessa região. Um dos motivos para o qual o fornonão atinge a temperatura necessária na primeira grelha (região do termopar 1) é que esta grelha ficalocalizada próxima da porta do forno, perdendo assim muito calor para o ambiente.

Com relação a água da piscina foi observado que a cada imersão de uma grelha pesando 2500kg, atemperatura da mesma sobre entre 12 a 15oC. A traves dos resultados obtidos no teste de dobramentonotou-se que temperatura máxima que a água pode atingir durante a imersão das grelhas é 60oC, logosó deve-se imergir as grelhas na água se a mesma estiver com a temperatura de até 45oC; e para cada1000kg a mais a temperatura inicial da água deve ser reduzida em 7oC, ou seja para uma grelha de3500kg a temperatura máxima inicial para a imersão deve ser de 38oC.

CONCLUSÃO

Sugere-se uma revisão no isolamento térmico da porta do forno de tratamento térmico.

Colocar as grelhas de menor massa na frente e as de maior massa no fundo do forno, pois estasúltimas estarão a mais tempo no patamar e na região mais quente do forno.

A temperatura inicial da piscina deve obedecer a tabela abaixo para assegurar a qualidade das peças:Peso total da grelha

(kg)Temperatura inicialmáxima da água (oC)

2000 48,52500 453000 41,53500 38

KELI VANESSA SALVADOR DAMIN AGUINALDO GONSALEZEngenheira de Materiais Engenheiro Metalurgista

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