Para que um tratamento térmico ocorra de forma adequada, garantindo peças com propriedades mecânicas homogêneas, é necessário assegurar que todas as regiões do forno recebam a mesma quantidade de calor. Para que isso ocorra é necessário avaliar vários parâmetros do processo que influenciam na transferência de calor, sendo um deles o modo de carregamento das peças dentro do forno (diretamente sobre a base do forno ou sob grelhas). O objetivo deste trabalho foi verificar a rampa de aquecimento de um forno com capacidade de 10 toneladas de acordo com o carregamento empregado e relacionar com as propriedades mecânicas do material tratado. Para a realização do estudo, foram acompanhados tratamentos térmicos onde foram realizadas aquisições de temperaturas através de 4 termopares instalados. Nos locais de instalação foram posicionados corpos de provas de aço AISI 1030 para posteriores ensaios mecânicos e metalográficos. Observou-se que o a forma de carregamento influenciou a distribuição de calor e que os melhores resultados foram atingidos com as amostras dispostas sobre a base do forno.
Palavras-chave: Tratamentos térmicos; Propriedades mecânicas; AISI 1030.
1 INTRODUÇÃO
O conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais é de suma importância para as questões de projeto [1-5]. Dentre os possíveis procedimentos existentes para alterar as propriedades mecânicas, destacam-se os tratamentos térmicos, pois estes conferem importantes modificações na microestrutura e, consequentemente, nas propriedades mecânicas como dureza, tenacidade, resistência mecânica e ao desgaste, etc [1,4,6].
Para que um tratamento térmico ocorra de forma adequada é necessário que todas as regiões do forno recebam calor de forma igualitária, fazendo com que as peças tratadas apresentem propriedades mecânicas homogêneas [3,7]. O modo de carregamento das peças dentro do forno é um dos fatores que influencia na circulação de calor dentro do forno e consequentemente nas propriedades mecânicas das peças obtidas. O carregamento do forno pode ocorrer de várias formas, sendo duas as mais comuns: o carregamento das peças diretamente sobre a própria base do forno, ou sobre grelhas que permitem a abertura de um vão entre a base do forno e as peças (Figura 1).
O presente trabalho tem como objetivo verificar a curva de aquecimento de um forno, em diversas regiões, de acordo com o carregamento empregado e relacionar com as propriedades mecânicas do material obtido.
2 METODOLOGIA
Para a realização deste trabalho foi usado um forno de tratamento térmico com capacidade de 10 toneladas. Este forno já possuía um termopar localizado na região central do teto (termopar de controle) utilizado para realizar leituras de temperaturas para o sistema automação do forno. A fim de avaliar possíveis variações de temperatura dentro do forno, foram instalados nele mais 3 termopares: um termopar na parte na parte dianteira (termopar 1) e outro na parte traseira (termopar 2), ambos localizados a uma distância de 800mm a direita dos queimadores de gás; o terceiro termopar (termopar 3) foi instalado próximo meio da parede lateral do forno, a uma altura de 1200 mm em relação ao solo, conforme Figura 2.
Para o levantamento das rampas de aquecimento realizou-se o acompanhamento de dois tratamentos térmicos de normalização, onde para cada tratamento utilizou-se um tipo de carregamento (sobre a base do forno ou sobre grelhas). Iniciado o tratamento, temperaturas foram coletadas a cada 30 minutos em cada termopar. Ao término do tratamento, ficaram registradas 4 temperaturas: 3 temperaturas dos termopares instalados em locais já descritos e a temperatura registrada pelo termopar de controle.
Para a posterior avaliação das propriedades mecânicas foram posicionados corpos de prova no local onde os termopares estavam instalados. Os corpos de prova, aço AISI 1030, foram obtidos por fundição e obedeceram à norma ASTM A370. Após tratados os corpos de prova foram usinados para posteriores ensaios de tração, uma amostra sem nenhum tratamento também foi produzida para fins comparativos. Os ensaios mecânicos foram realizados com o auxílio de uma máquina universal de ensaios da marca EMIC, modelo DL10000. Após realizados os ensaios de tração, foram retiradas amostras dos corpos de prova para análise da microestrutura (microscopia ótica) e da composição química (espectrômetro de emissão ótica). Ensaio de dureza Brinell também foram realizados.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados das rampas de aquecimento são mostrados nas Figuras 3 e 4. O tratamento térmico 1 corresponde ao tratamento com peças carregadas diretamente sobre o piso do forno, já o tratamento térmico 2 corresponde ao tratamento com peças carregadas sobre grelhas. Os resultados mostraram que a forma de carregamento das peças influenciou no fluxo de calor do forno. Quando as peças foram posicionadas diretamente sobre a base do forno, provocou-se uma obstrução na saída de gases do interior do forno, fazendo com que ocorresse uma circulação não uniforme de calor em todo o forno. Como consequência, houve uma inversão de temperatura entre a região da porta e a região das saídas de gases, localizadas no fundo do forno.
Já quando as peças são colocadas sobre grelhas, a circulação de ar se faz de forma uniforme, visto que entre a base do forno e as grelhas, forma-se um vão livre de aproximadamente 100mm em toda a extensão do piso, por onde o calor circula. Essa circulação faz com que todos os lados das peças tratadas recebam calor de forma mais igualitária.
Observa-se também que nas 2 corridas de tratamento térmico, somente o termopar de controle e o termopar 3 atingiram a temperatura de encharque programada de 900 °C, ficando os termopares 1 e 2 com temperaturas cerca de 100oC abaixo da temperatura de programada. Essa diferença de temperatura pode ser atribuída a altura em que os termopares estavam posicionados em relação ao solo. Como o ar frio é mais denso, este desceu e fez com que os termopares 1 e 2 apresentassem temperaturas menores nos dois tratamentos. O resultado de análise química do material tratado está na Tabela 1. Observa-se que o material se enquadra como o aço AISI 1030.
Tabela 1 – Composição química.
Através das equações das temperaturas criticas Ac1, Ac3 e da composição química do material foi calculado as temperaturas Ac1, Ac3 para o material em questão. Os valores estão presentes na Tabela 2. Observa-se que todas as amostras ultrapassaram a temperatura crítica Ac1, mas somente as amostras do centro ultrapassaram a temperatura crítica Ac3.
Tabela 2 – Temperaturas de patamar dos tratamentos 1 e 2.
A Figura 5 mostra a micrografia do aço AISI 1030 sem nenhum tratamento térmico (bruto de fusão). A textura do aço apresenta dimensões avantajadas de seus grãos e a apresentam os constituintes bem definidos. A ferrita apresenta aspecto rendilhado e agulhado enquanto a perlita encontra-se em uma forma mais grosseira. Esse fato é justificado pelo resfriamento lento a que foi submetida a amostra.
As análises metalográficas dos tratamentos 1 e 2 mostraram a que as amostras tratadas sobre o piso (tratamento 1) apresentaram uma estrutura de grãos mais refinada em relação as amostras tratadas sobre grelhas (tratamento 2). Numa análise detalhada entre as amostras do tratamento 2 observa-se que a amostra do centro (Figura 7c) apresentou um tamanho que grão maior do que a amostra da porta (Figura 7a). Isso está relacionado a temperatura em que as duas amostras foram expostas (amostra do centro 908oC/amostra da porta 779oC) fazendo que houvesse um crescimento de grão na amostra do centro por causa da elevada temperatura em que foi submetida (96oC acima da temperatura Ac3).
A Tabela 3 mostra os resultados dos ensaios mecânicos realizados nas amostras estudadas. Observa-se que o tratamento térmico não altera significativamente os valores de limite de resistência, limite de escoamento e dureza, mas sim os valores de alongamento e estricção. Tendo como base a norma ASTM A 958 para classe do material estudado (AISI 1030) observou-se que a amostra com o pior resultado foi a posicionada no centro com o carregamento em grelha. Isto está diretamente ligado à temperatura no qual a amostra foi exposta, a qual foi excessiva para a sua composição química de acordo com os cálculos para a curva Ac3 e que é corroborado pelas análises metalográficas.
Uma análise geral das amostras aponta que as amostras posicionadas sobre a base do forno
foram as que apresentaram melhores propriedades mecânicas e dureza.
4 CONCLUSÕES
Observou-se que a forma de carregamento das peças influencia no fluxo de calor dentro do forno.
Ao aquecer o aço até a temperatura de encharque de 900°C, apenas a região próxima do centro do forno é a que atinge a temperatura programada. As demais regiões permanecem com temperaturas menores.
Verificou-se os melhores resultados para as amostras colocadas sobre a base do forno com uma temperatura de patamar abaixo de 900°C.
