Uma combinação de fatores, incluindo eficiência e iniciativas ambientais na fabricação automotiva e aeroespacial, inovações em fontes de alimentação de indução e avanços na simulação de processos de tratamento térmico de indução sugere que uma “era de ouro” do tratamento térmico de indução está no horizonte.

Vantagens de Eficiência e Meio Ambiente

Em uma era de consciência ambiental e redução de custos, a física fundamental da indução eletromagnética faz dela um método de tratamento térmico altamente atrativo (e e de processamento térmico em geral). O aquecimento por indução é um método de aquecimento direto no qual a energia térmica é gerada dentro do componente aquecido - ao contrário de transferido para ele a partir do ambiente. Como o aquecimento por indução resulta tanto na geração de calor superficial quanto na subsuperfície, o aquecimento rápido e a alta eficiência térmica são geralmente alcançáveis.

Os processos de tratamento térmico por indução também costumam fornecer alta eficiência eletromagnética. Para o endurecimento de materiais ferromagnéticos, como aços carbono e aços inoxidáveis martensíticos, essa eficiência é geralmente da ordem de 70-80% (para revenir esses materiais, esse valor pode se aproximar de 90%). O endurecimento por indução também não envolve a difusão de substâncias químicas em componentes. Por essa razão, a indução é frequentemente considerada um método de endurecimento “mais limpo” em relação a alternativas termo-químicas, como cementação e nitretação.

Inovação da Fonte de Alimentação de Indução

O desenvolvimento de fontes de alimentação de transistores de alta frequência nas décadas de 1950 e 1960 alterou de maneira dramática e positiva o futuro do tratamento térmico de indução. A introdução de fontes de alimentação de frequência dupla simultâneas no final da década de 1990 e início da década de 2000 proporcionou uma melhoria significativa na capacidade de endurecimento por indução, particularmente no que diz respeito ao endurecimento de engrenagens pequenas a médias. Muito recentemente, após quase duas décadas de avanços relativamente menores em fontes de alimentação de indução, uma tecnologia revolucionária - um inversor capaz de modulação de frequência praticamente instantânea, em operação - foi introduzida.

Num processo de aquecimento por indução, a frequência do campo electromagnético aplicado (isto é, a frequência da corrente alternada que passa através da bobina de indução) influencia a profundidade em que a energia térmica é gerada no componente aquecido. A profundidade em que a maioria (aproximadamente 86%) da geração de calor induzida ocorre em uma corrente alternada que conduz o corpo é frequentemente chamada de profundidade da pele. A profundidade da pele (δ) é uma função da resistividade elétrica do corpo (ρ) e da permeabilidade magnética (μ) e da frequência (F) do campo magnético aplicado. Pode ser aproximado por:

Em termos práticos, isso significa que a seleção e manipulação de freqüência é o único meio de controlar a profundidade na qual a geração de calor ocorre em um componente aquecido por indução. Consequentemente, a capacidade de alterar de forma mensurável e deliberada a frequência durante um processo de tratamento térmico, uma característica exclusiva do inversor IFP ™ (Independent Frequency & Power) da Inductoheat, representa uma enorme oportunidade de tratamento térmico.

Estudo de Caso: Endurecimento por Varredura (Scan Hardening)

O endurecimento por digitalização é uma aplicação comprovada de fontes de alimentação de frequência variável. A capacidade de alterar a frequência é a solução ideal para acomodar as variações nos requisitos de geometria e de endurecimento ao longo do comprimento dos componentes tratados por escaneamento. O processo descrito na Fig. 1, um processo de escaneamento para endurecer um eixo de aço carbono médio (SAE 4140), fornece um estudo de caso conveniente. Este eixo, representativo de muitos componentes automotivos modernos, é oco, possui uma extremidade flangeada e inclui uma mudança significativa no diâmetro. Os diâmetros acima e abaixo da transição são de aproximadamente 45 mm e 50 mm, respectivamente.

Essa alteração de 5 mm de diâmetro, que é grande em relação à profundidade da camada exigida, cria desafios eletromagnéticos e térmicos inerentes. No canto interno da transição de diâmetro, é claramente difícil induzir geração de calor suficiente para superar a condução de calor na massa circundante relativamente grande. A presença de um rebaixo de 0,5 mm, que efetivamente aumenta o acoplamento localizado entre a bobina e o componente, fornece um obstáculo adicional. Enquanto isso, o canto externo pode facilmente ser superaquecido porque se projeta para fora no caminho das linhas de fluxo magnético que se enrolam ao redor da bobina de uma única volta.

Se uma única frequência fosse selecionada para endurecer esse componente, 30 kHz seria uma escolha provável, considerando a meta de profundidade de caso efetiva de aproximadamente 2 mm. Conforme mostrado na Fig. 2, esse processo fornece bons resultados ao longo da maior parte do comprimento endurecido do componente, mas há problemas na área de transição do diâmetro.

Devido insuficiente austenitização (isto é, aquecimento), muito pouca formação de martensita é projetada no rebaixo. O aumento da potência da bobina e / ou o tempo de aquecimento efetivo nessa região podem parecer ações corretivas lógicas. No entanto, isso aumentaria ainda mais a temperatura do pico no canto externo adjacente. Dado que esta temperatura já é da ordem de 1060°C, um aumento adicional da temperatura poderia produzir um aumento de grão localizado e indesejado (e potencialmente inaceitável).

Aumentar a temperatura no canto interno sem fazê-lo no canto externo é uma tarefa aparentemente paradoxal, dado que esses recursos são separados por apenas 3 mm. Como mostrado na Fig. 3, no entanto, isto é obtido alterando a frequência quando aquecer a área de transição de diâmetro (isto é, quando a bobina estiver diretamente adjacente a esta característica).

Uma redução na frequência de saída do inversor de 30 kHz a 10 kHz, que aumenta a profundidade da pele no componente em uma magnitude de aproximadamente 1,7, alivia simultaneamente o desafio de proximidade eletromagnética no canto interno e reduz o risco de superaquecimento do canto externo. Este processo de frequência variável fornece um aumento significativo na profundidade do caso no rebaixo, enquanto reduz a temperatura máxima no ombro adjacente em quase 40°C.

Este estudo de caso, embora relativamente simples, ilustra uma das vantagens de qualidade oferecidas pelos sistemas de endurecimento por varredura de frequência variável. Se esse componente apresentasse requisitos de profundidade de camada substancialmente diferentes ao longo de sua extensão, a capacidade de modular frequência teria benefícios adicionais. Além disso, embora fora do escopo deste artigo, a tecnologia IFP também oferece vantagens de qualidade e flexibilidade em várias outras aplicações, incluindo endurecimento contínuo horizontal, endurecimento por rotação (de engrenagens e rodas dentadas) e revenimento / alívio de tensão.

Integração da Simulação em Equipamentos, Projeto de Processos

A incorporação da simulação por computador no projeto de sistemas de tratamento térmico por indução pode proporcionar melhor qualidade do produto, redução do tempo de engenharia e dos custos de fabricação, além de desenvolvimento mais rápido do processo. Essas vantagens, no entanto, podem ser facilmente negadas pela quantidade de tempo necessária para criar um modelo representativo e calcular os resultados numéricos.

Em certas aplicações, particularmente aquelas que requerem simulação em 3-D, a quantidade de tempo necessária para obter informações úteis de simulações é simplesmente impraticável. Felizmente, as crescentes capacidades do software de simulação e o custo decrescente do hardware do computador estão diminuindo essa barreira.

Estudo de Caso: Endurecimento de Disparo Único

Em um processo de endurecimento único, toda a região do componente a ser endurecido é aquecida usando uma bobina de indução que induz o fluxo de corrente circunferencial e longitudinal (Fig. 4). A rotação da peça duranteo aquecimento e têmpera promove resultados de endurecimento circunferencialmente uniformes. A capacidade de simular processos de endurecimento de injeção única de forma confiável e em um período de tempo razoável oferece aos fabricantes e usuários de equipamento de indução de tratamento térmico um valor substancial porque:

• O endurecimento por injeção única é um processo muito comum de tratamento térmico por indução;
• O design de bobinas de disparo único é muito menos intuitivo do que o da maioria das bobinas de endurecimento por indução;
• Os resultados de endurecimento são predominantemente determinados pela geometria da bobina, ao contrário dos parâmetros do processo (ao contrário do endurecimento por varredura);
• Os custos de fabricação de bobinas podem ser consideráveis, especialmente levando em conta as modificações iterativas frequentemente associadas ao projeto de tentativa e erro;
• Bobinas de disparo único geralmente são submetidas a densidades de potência muito altas e, portanto, podem sofrer falhas prematuras.

Infelizmente, as características físicas dos processos de endurecimento de um único disparo requerem a simulação de eletromagnetismo tridimensional, e a quantidade de tempo necessária para configurar modelos de elementos finitos em 3D e soluções precisas de computação tem sido historicamente bastante proibitiva. Por esse motivo, a simulação de processos de endurecimento de uma única peça ainda é bastante rara na indústria.

Conforme ilustrado na Fig. 5, no entanto, essa realidade está mudando. Melhorias contínuas na funcionalidade do software e a crescente acessibilidade dos recursos computacionais estão reformulando a viabilidade prática de conduzir essas simulações complexas e intensivas em recursos. Tanto os fabricantes quanto os usuários de equipamentos de tratamento térmico de indução estão colhendo os frutos.

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Entre em contato com Collin A. Russell, engenheiro de projeto de modelagem de software, Inductoheat Inc. - uma empresa do Inductotherm Group, 32251 N. Avis Dr., Madison Heights, MI 4807, EUA; tel: +1 248-629-5024; e-mail: crussell@ inductoheat.com; web: www.inductoheat.com.