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Carlos Roberto Ferreira et al.

ResumoEsse trabalho descreve o tratamento térmico por in-

dução eletromagnética em tubos sem costura para a pro-dução de hastes para sondagem geológica. São determi-nados, através de análises metalográficas e ensaios me-cânicos, os parâmetros ideais para as etapas de têmpera erevenido, a fim de obter hastes nacionais tratadas comqualidade similar às disponíveis no mercado internacio-nal. A determinação dos parâmetros operacionais do equi-pamento de indução eletromagnética, para têmpera e re-venimento de tubos de aço SAE-1045, utilizados na con-fecção das hastes, permitiu obter um perfil de dureza semgrandes flutuações de valor, variando suavemente de umvalor máximo próximo a 45HRc na extremidade externa dafaixa tratada, para um valor mínimo próximo a 35HRc, nofinal da mesma.

Palavras-chave: Indução eletromagnética, hastes de son-dagem, tratamento térmico

AbstractThis work describes the production of geological

drill rods through electromagnetic induction thermaltreatment of tubes. The research aims at determining,through metalography, mechanical tests and field tests,the ideal induction hardening and temperingparameters, to produce drill rods with qualities similarto the ones available in the international market. Thedetermination of the induction hardening and temperingparameters of SAE-1045 steel tubes, for the productionof geological drill rods, was capable of producinghardness profiles with low fluctuations in values,ranging from a maximum value of 45HRc close to theextremity, to minimum values close to 35HRc at the endof the treated region.

Keywords: Electromagnetic induction, geological dri-ll rods, thermal treatment

Tratamento térmico por induçãoeletromagnética em tubos de aço SAE 1045

para produção de hastes de sondagemgeológica

Carlos Roberto FerreiraEng° Metalurgista, mestrando, REDEMAT/UFOP - E-mail: wmcar@zipmail.com.br

Fernando Gabriel da Silva AraújoDr., Prof. Adjunto, Dep. de Física, REDEMAT/UFOP - E-mail: fgabriel@iceb.ufop.br

Cristovam Paes de OliveiraDr., Prof. Adjunto, REDEMAT/UFOP

André Barros CotaDr., Prof. Adjunto, Dep. de Física, REDEMAT/UFOP

Metalurgia & Materiais

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Tratamento térmico por indução eletromagnética em tubos de aço SAE 1045 para produção ...

1. IntroduçãoO tratamento térmico por indução

eletromagnética é sem dúvida um dosmais efetivos processos de tratamentotérmico para diversas aplicações, inclu-indo: têmpera total, têmpera superficial,revenido, alívio de tensões, recozimen-to, normalização, sinterização de metaispulverizados e outros[1]. Na maioria dasaplicações, o tratamento térmico por in-dução é usado somente em partes sele-cionadas da peça. O processo é executa-do em tempo muito curto e com alta efici-ência, porque a energia é aplicada so-mente na parte onde o tratamento térmi-co é requerido. Isto promove alta produ-tividade, poucas distorções na geome-tria da peça, permite o uso de pequenoespaço físico para instalação de equipa-mentos e gera benefícios ambientais[2,3].

No aquecimento por indução con-vencional, todas as três maneiras detransferência de calor (condução, con-vecção e radiação) estão presentes, sen-do que as transferências de calor porconvecção e radiação refletem os valo-res de perda de calor. Um alto valor deperda de calor reduz a eficiência da bobi-na de indução.

A profundidade de penetração decorrente, em determinado objeto sob tra-tamento, é definida pelo limite no qual adensidade de corrente alcança 37% dovalor obtido na superfície[4], conformepode ser calculado pela equação 1[1].

δ =( ρ /Π.µδ =( ρ /Π.µδ =( ρ /Π.µδ =( ρ /Π.µδ =( ρ /Π.µ00000.µ..µ..µ..µ..µ.f )1/2 eq.1

ou δ δ δ δ δ = 503 (ρρρρρ/µµµµµ.f )1/2

sendo:δ = profundidade de penetração, em

metros;ρ = resistividade elétrica do metal, em

©.m;µ0 = permeabilidade magnética no

vácuo;µ = permeabilidade magnética da peça;f = freqüência do campo magnético

alternado da bobina, em Hz.A velocidade de aquecimento por

indução de alta freqüência varia de 27 a227°C/s, o que chega a 100 vezes maisrápido que a velocidade de aquecimento

no forno convencional e condiciona im-portantes particularidades da transfor-mação microestrutural. Isto ocorre por-que a velocidade de nucleação da auste-nita cresce mais rapidamente que suavelocidade de crescimento linear. Emdecorrência disto, acima das temperatu-ras de início (Ac1) e de fim (Ac3) da trans-formação em austenita, formam-se grãosausteníticos pequenos, com tamanhosmédios variando de 2 a 7µm[4]. Devido àelevada velocidade de aquecimento e àcurta exposição à temperatura máxima,os ciclos dos processos de difusão mos-tram-se incompletos e os átomos de car-bono distribuem-se não uniformementena estrutura da austenita[4].

O processo de têmpera de tubos,nos tratamentos térmicos por induçãoeletromagnética, permite obter uma es-trutura martensítica na região tratada dapeça, cuja variação de dureza ao longoda peça depende da distribuição de tem-peratura, da microestrutura prévia doaço, do seu teor de carbono, das condi-ções de resfriamento e temperabilidadedo aço e, por fim, do grau de superendu-recimento, um fenômeno relacionado àsaltas velocidades de aquecimento, ondeos valores de dureza aumentam de 2 a 8pontos HRc, em relação ao máximo valorde dureza obtido, para um dado tipo deaço, por tratamento convencional. Issopermite, para situações onde se requeralta dureza superficial, usar uma classede aço inferior à necessária, para a mes-ma aplicação, nos tratamentos em for-nos convencionais. O superendureci-mento pode ser atribuído ao fino tama-nho de grão austenítico do aço tratadotermicamente por indução eletromagné-tica, que resulta em pequenos pacotesde martensita na têmpera.

O tempo total para se completar oprocesso de endurecimento superficial,utilizando indução eletromagnética e in-cluindo-se os ciclos de austenitizaçãoe têmpera, é muito pequeno, em médiade 5 a 27 segundos por componente[1,10].Tempo e temperatura são dois parâme-tros críticos no revenimento por indu-ção. Usualmente, adotam-se, para o re-venimento por indução, temperaturasentre 300ºC e 600ºC[1] com tempos um

pouco mais longos que os empregadosna austenitização[1].

Em tubos para sondagem geológi-ca, o tratamento térmico por indução ele-tromagnética, abordado nesse trabalho,é especialmente adequado, por váriosfatores. Trata-se de tubos de comprimen-to da ordem de metros, nos quais se tema necessidade de maior dureza, princi-palmente nas extremidades, pois são asporções nas quais são usinadas as ros-cas de engate dos tubos, com conse-qüente redução da espessura da parede.A necessidade de alta dureza nessasporções advém da menor espessura,conjuntamente com os esforços de ros-queamentos repetidos, associados àabrasão, tração e flexão durante a perfu-ração, já que esta tende a assumir umatrajetória helicoidal.

2. Procedimentoexperimental

O trabalho consistiu em tratar ter-micamente, por indução eletromagnéti-ca, tubos de fabricação nacional, de açoSAE-1045, com 3m de comprimento, 7cmde diâmetro externo e 0,5cm de es-pessura, na composição 0,48 %C,0 ,85%Mn, 0 ,24%Si , 0 ,010%P,0,005%S, 0,01% Cr, 0,02%Mo, 0,02%Al e 0,001 % Ti. Foi utilizado um equi-pamento de indução eletromagnética fa-bricado pela empresa Inductoheat, comajustes e adaptação de projeto feitos portécnicos da Geosol e pelos autores. Oequipamento foi adquirido com financi-amento da FINEP, através de um projetoPADCT, tendo, como consorciadas, aFundação Gorceix e a Geosol.

O tratamento de aquecimento porindução eletromagnética foi executadoem várias condições de têmpera e reve-nimento, com correlações de tempo epotência de tratamento, versus tempera-tura atingida em cada etapa. As faixas detemperatura e tempo utilizadas foram de800 a 1000ºC, por 9 a 12s contínuos, paraaustenitização, e de 400 a 550ºC, por 15 a25s pulsados, para revenimento. Foi fei-ta, a seguir, a correlação entre tratamen-to térmico e perfil de dureza obtido ao

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longo do comprimento dos tubos e de-terminação das condições de têmpera erevenimento a serem utilizadas na pro-dução dos tubos.

A têmpera dos tubos foi feita atra-vés de uma ducha de água, projetadapara uma rápida remoção de calor, permi-tindo desenvolver a dureza e a estruturado aço desejadas. Para evitar deforma-ções na peça tratada em posição hori-zontal, ela foi mantida sob rotação cons-tante, durante todo o tratamento.

Os tubos produzidos tiveram suaspropriedades analisadas e comparadascom as dos outros, para várias condi-ções de processamento, no sentido deobter controle e flexibilidade no proces-so.

3. Resultados ediscussão

Tradicionalmente, aços SAE 1045são austenitizados para têmpera a tem-peraturas por volta de 850°C(T> Ac3) emum intervalo de tempo de 15 a 30 minu-tos e revenidos a temperaturas próximasa 500°C, por 1h (uma hora). Porém, notratamento térmico por indução eletro-magnética, os tempos de aquecimentosão da ordem de 10 segundos para aus-tenitização e 20 segundos para reveni-mento.

A Figura 1 mostra fotomicrografi-as, com aumento de 1100X, da secção

reta da parede de um tubo de aço SAE1045 no estado de entrega (a), e após otratamento de têmpera e revenimento porindução eletromagnética (b). As regiõesde relevo suave na Figura 1a, do aço noestado de entrega, correspondem a grãosde ferrita, enquanto as regiões com la-melas correspondem aos grãos de perli-ta. Na Figura 1b, a estrutura correspon-de a regiões de martensita e martensitarevenida, porém, ainda apresentando re-giões que correspondem aos grãos deferrita que não se transformaram em aus-tenita no aquecimento. Isto revela quenão houve homogeneização do teor decarbono e a transformação em austenitanão se completou, durante o curto perí-odo de austenitização da estrutura. Re-vela também que parte da martensita nãoé revenida nos curtos tempos de trata-mento. Essas observações implicam queas curvas de transformação do aço sãodeslocadas para maiores temperaturas,quando os tempos de aquecimento sãoda ordem de segundos.

O equipamento controla o ciclo detemperatura através da potência aplica-da e tempo de circulação de corrente.Logo, a temperatura alcançada, em cadatratamento, será função, além dos parâ-metros do equipamento, das caracterís-ticas geométricas, estruturais e de compo-sição da peça tratada. Uma conseqüênciadisto é que as temperaturas de tratamen-to são também resultado dos experimen-tos. No revenimento, porém, como a tem-

peratura sobe mais lentamente em fun-ção da potência pulsada, pode-se deter-minar, ainda, a temperatura máxima comoparâmetro inicial.

Para a austenitização, foram empre-gadas temperaturas entre 900 e 997°C,no modo contínuo, nos tempos de 11 e12 segundos. No revenimento, foramempregadas temperaturas entre 400 e554°C, no modo pulsado, por temposentre 15 e 18s. Foram feitas combinaçõesvariadas de condições de têmpera e re-venimento, para os valores extremos eintermediários do intervalo acima, resul-tando em diferentes perfis de dureza.

A Figura 2 mostra os perfis de du-reza ao longo da região tratada de tubos,nas condições extremas do intervalo deparâmetros para têmpera e revenimentotestados. Todos os tratamentos de in-dução eletromagnética foram feitos auma freqüência de 10kHz e os resfria-mentos foram feitos sempre com água eaditivo a 30°C. Os parâmetros de trata-mento são mostrados nos próprios grá-ficos. Em todos os tratamentos, há umagrande perda de dureza entre 15 e 17cmda extremidade da haste, corresponden-do à região de transição, a partir da qualnão houve austenitização.

Em todas as condições de tratamen-to, observou-se o aumento da dureza aofinal da região austenitizada, logo antesda região de transição. Esse aumento dadureza está provavelmente relacionadoa heterogeneidades do revenimento ou

Figura 1 - Fotomicrografias da secção reta da parede de um tubo de aço SAE 1045 no estado de entrega (a), e após o tratamentode têmpera e revenimento por indução elétromagnética (b). 1100X

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Tratamento térmico por indução eletromagnética em tubos de aço SAE 1045 para produção ...

a tensões de compressão na região, re-sultantes das diferenças de dilataçãoentre a porção austenitizada e tempera-da da peça e a porção que não alcançoua temperatura de austenitização.

Da análise dos perfis de dureza, foiescolhida a condição de tratamento tér-mico por indução eletromagnética, queproduziria tubos com perfil de dureza semgrandes flutuações de valor, decaindosuavemente de um valor máximo próxi-mo a 45HRc na extremidade, para um va-lor mínimo próximo a 35HRc no final daregião tratada, com forma próxima à ob-servada nos tubos produzidos fora doBrasil.

Tais parâmetros, que geraram omelhor perfil de dureza, são mostradosna figura 2b. Foi empregada uma tempe-ratura de austenitização próxima de1000°C, com potência contínua aplicadapor 12 segundos, associada a uma tem-peratura de revenimento de 500°C, compotência pulsada aplicada por 18s. O tra-tamento nessas condições implicou du-rezas médias próximas de 40HRc comdesvio-padrão inferior a 3HRc, em umperfil de dureza com decréscimo suave,desde a extremidade da haste, até o fimda região tratada.

Foram produzidos vários tubos comtratamentos sob as mesmas condiçõesdo tubo da Figura 2b e apresentando per-fil de dureza semelhante àquele, confir-mando a reprodutibilidade do método.Foram tratados, nessas condições, 150tubos de aço SAE 1045, com 3,0m decomprimento e diâmetro externo de 7,0cm,

que estão em teste de campo, para verifi-cação de durabilidade e desempenho.

4. ConclusõesA operação do equipamento es-

pecificada a uma freqüência de 10kHz,com uma potência máxima de 150kW,mostrou-se eficaz no tratamento térmi-co por indução eletromagnética de tu-bos, para a produção de hastes de son-dagem.

O solenóide acoplado ao equipa-mento, para o tratamento das hastes, re-sultou em região temperada e revenidanão inferior a 15cm de extensão e de du-reza na superfície da região tratada nãoinferior a 30HRc.

Tratamentos térmicos por induçãoeletromagnética, de tubos de aço SAE1045 com 7cm de diâmetro externo e 0,5cm de espessura, com austenitização auma temperatura máxima de 991°C por12s e revenimento a uma temperaturamáxima de 504°C por 18s, são capazes deproduzir materiais com propriedadesmecânicas adequadas à confecção dehastes de sondagem para prospecçãogeológica.

5. AgradecimentosÀ GEOSOL - Geologia e Sondagens

Ltda e à FINEP pelo importante investi-mento em pesquisa, à Fundação Gorceixe à REDEMAT - Rede Temática em En-genharia de Materias.

6. ReferênciasBibliográficas1- RUDNEV, V. I., LOVELESS, D. L., COOK,

R. L., BLACK, M. R. Induction heattreatment: basics principles, computation,coil construction, and design considerations,In: TOTTEN, G. E., HOWES, M. A. H.Steel Heat Treatment Handbook, M. NewYork: Dekker, 1997. p. 765-867.

2- LOVELESS, D., RUDNEV, V., COOK, R.,AND BOUSSIE, T. Innovative spacesaving idea for induction heat treating.Industrial Heating, march,1998” p. 53-58.

3- RUDNEV, V., LOVELESS,D., LAMONTE,J., DEMIDOVICH, V., POWELL.J. Abalanced approach to induction tube andpipe heating. p. 53

4-NOVIKOV, ILIA. Teoria dos tratamentostérmicos dos metais. Editora UFRJ, 1994.p.337-340.

5- INDUCTOHEAT - Manual doEquipamento, 2001.

6-GRUM, JANEZ. A review of the influenceof grinding conditions on resulting residualstresses after induction surface hardeningand grinding. Journal of MaterialsProcessing Technology, v.144, p. 212-226,2001.

7- KRISTOFFERSEN, H., VOMACKA, P.Influence of parameters for inductionhardening on residual stresses, Materials& Design, v. 22, p. 637-644, 2001.

8- CUNNINGHAM, J. L., MEDLIN, D. J.,KRAUSS, G. Effects of induction hardeningand prior cold work on a microalloyedmedium carbon steel, Journal of MaterialsEngineering and Performance, v. 8, p. 401-408, 1999.

9- TJERNBERG, A. Fatigue lives for inductionhardened shafts with subsurface crackinitiation, Engineering Failure Analysis,v.9, p. 45-61, 2001.

10- RUDNEV, V. I., LOVELESS, D. L.,MILLER, P. J., BLACK, M. R. Progress instudy of induction surface hardening ofcarbon steels, gray irons and ductile irons,Industrial Heating. 1996.

Artigo recebido em 16/10/2003 eaprovado em 28/02/2004.

Figura 2 - Perfis de dureza, ao longo da região temperada e revenida, por indução eletromagnética, de tubos para sondagemgeológica, nas condições extremas do intervalo de parâmetros para têmpera e revenimento testados. Os parâmetros com sub-índice 1 correspondem à austenitização e os parâmetros com subíndice 2 correspondem ao revenimento.

5

15

25

35

45

55

0 5 10 15 20Distância da Extremidade (cm)

Dur

eza

HR

c

Amostra 1.7B f 1 = 10kHz T 1 = 997°C t 1 = 12s f 2 = 10kHz T 2 = 554°C t 2 = 18sMédia = 38,6HRc Desvio padrão = 3,75HRc

5

15

25

35

45

55

0 5 10 15 20

Distância da Extremidade (cm)

Dur

eza

HR

c

Amostra 2.3B f1 = 10kHz T 1 = 991°C t 1 = 12s f2 = 10kHz T 2 = 504°C t 2 = 18sMédia = 40,7HRc Desvio padrão = 2,90HRc

5

15

25

35

45

55

0 5 10 15 20

Distância da Extremidade (cm)

Dur

eza

HR

c

Amostra 4.2B f 1 = 10kHz T 1 = 900°C t 1 = 11s f 2 = 10kHz T 2 = 400°C t 2 = 15sMédia = 34,5HRc Desvio padrão = 5,97HRc