6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
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6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
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April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
ESTUDO DO TRATAMENTO TÉRMICO HORIZONTAL POR INDUÇÃO DE
CREMALHEIRAS DO MECANISMO DE DIREÇÃO HIDRÁULICO
Lincoln Cardoso Brandão, [email protected]
Sandro Pereira da Silva, [email protected]
Rafael Flávio Pimenta Pereira, [email protected]
Gabriel Andrade de Abreu, [email protected]
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2
Universidade Federal de São João del-Rei
TRW Automotive Ltda.
Resumo: O tratamento térmico por indução eletromagnética é um dos mais efetivos com grande produtividade e larga
faixa de aplicações. Podemos citar que sua aplicação está presente na têmpera total e superficial, alívio da tensão,
recozimento, normalização, entre outros. Um dos objetivos do processo de aquecimento por indução eletromagnética
na indústria automobilística é o aquecimento superficial de componentes dos sistemas de direção. Em geral, os
benefícios que recomendam a sua utilização são a alta densidade de potência, aquecimento rápido, controle preciso
da temperatura e a possibilidade de aquecer regiões específicas. Variações do processo de indução estão presentes em
várias empresas, no entanto, ainda é necessário um completo entendimento das particularidades deste processo,
considerando os erros e as variações microestruturais, além das variações dimensionais que surgem após o
tratamento térmico. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a flexão, o batimento radial, a dureza e espessura do
tratamento térmico de cremalheiras de sistemas de direção. As cremalheiras foram submetidas ao tratamento térmico
por indução na direção horizontal, variando a concentração de polímero no intervalo de concentração de 7 a 8%.
Para avaliar a diferença significativa entre os experimentos, foi utilizada a análise de variância (ANOVA) com o Teste
de Tukey a 5% de significância. Os resultados dos experimentos mostraram que o tratamento térmico por indução com
uma concentração de polímeros de 7% apresentou a maior distorção dimensional em relação ao batimento radial e
retidão na região dos dentes da cremalheira. Além disso, a análise metalográfica das barras nesse teste com essa faixa
de concentração de polímero mostrou a igualdade de tratamentos. Portanto, podemos concluir que a variação da
concentração do polímero no intervalo especificado influencia apenas erros dimensionais, sem afeitos metalográficos
nas cremalheiras.
Palavras-chave: Indução Horizontal, Cremalheiras, Sistemas de Direção, Erros de Forma.
1. INTRODUÇÃO
O tratamento térmico por indução eletromagnética é um dos mais efetivos e produtivos processos com diversas
aplicações como têmpera total, superficial, revenido, alívio de tensões, recozimento, normalização, entre outros
(Ferreira, 2004). As técnicas do aquecimento indutivo atualmente contribuem com quase todas as indústrias de
manufatura, desde a preparação de pastilhas de silício puro para componentes microeletrônicos até o processamento de
chapas de aço pesando 25 toneladas ou mais (Laborelec, 2007). De acordo com Alba Term (2009), o mais importante
processo de utilização do processo de indução é a têmpera superficial de peças automotivas fabricadas em aço devido
sua versatilidade.
Na maioria das aplicações, o tratamento térmico por indução é usado somente em partes selecionadas da peça. O
processo é executado em tempo muito curto e com alta eficiência, porque a energia é aplicada somente na parte onde o
tratamento térmico é requerido. Isto promove alta produtividade, poucas distorções na geometria da peça, permite o uso
de pequeno espaço físico para instalação de equipamentos e gera benefícios ambientais (Loveless et al., 1998; Rudnev
et al., 1998).
De acordo com Novikov (1994) no aquecimento por indução as três maneiras de transferência de calor estão
presentes, sendo que as transferências de calor por convecção e radiação refletem os valores de perda de calor. Além
disso, a profundidade de penetração da corrente é definida pelo limite no qual a densidade de corrente alcança 37% do
valor obtido na superfície.
O tempo total para se completar o processo de endurecimento superficial, utilizando indução eletromagnética e
incluindo-se os ciclos de austenitização e têmpera, é muito pequeno (Rudnev et al., 1997; Rudnev et al., 1998).
Usualmente, adotam-se, para o revenimento por indução, temperaturas entre 300ºC e 600ºC (Rudnev et al., 1997) com
tempos um pouco mais longos que os empregados na austenitização (Rudnev et al., 1997).
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Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
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A velocidade de indução a alta freqüência varia de 27 a 227 ºC/seg chegando a ser 100 vezes mais rápido que a
velocidade de aquecimento no forno convencional e proporciona importantes características na transformação
microestrutural. Estas alterações podem gerar tensões residuais e erros de forma inviáveis de serem corrigidos em
etapas posteriores em processos de fabricação seriados (SILVA, et al. 2010).
O processo mais comum de realização do tratamento térmico por indução é a passagem do material no sentido
horizontal. Entretanto, um completo entendimento deste processo, considerando os erros e variações microestruturais,
ainda precisa ser desenvolvido. Este estudo propõe um comparativo deste processo através da variação da concentração
do polímero de resfriamento no endurecimento de cremalheiras de sistemas de direção. Foram avaliados a flexão e o
batimento radial das cremalheiras quando submetidas ao tratamento térmico por indução na posição horizontal.
2. METODOLOGIA
Este trabalho foi desenvolvido na empresa TRW Automotive Ltda localizada em Lavras - MG, que atua no ramo de
sistemas de direção. Para os experimentos foi utilizado um equipamento de indução horizontal fornecido pela empresa
Inductotherm Group Brasil Ltda, Fig. (1A).
Figura 1. (A) Equipamento de indução horizontal; (B) Detalhe mostrando os indutores em série.
O equipamento de tratamento térmico na posição horizontal refere-se a um equipamento centerless no qual o
tratamento térmico ocorre em série, conforme Fig. (1b) que permiti a redução do tempo de exposição das cremalheiras à
têmpera e aumento do tempo de exposição ao revenimento. Este equipamento possui um Conversor SP12 que opera
com freqüência de trabalho de 10 kHz e potência de trabalho de 250 kW para a têmpera e um Conversor SP12 que
opera com freqüência de trabalho de 10 kHz e potência de trabalho de 100 kW para o revenimento. Os respectivos
parâmetros de trabalho são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1. Parâmetros de trabalho do equipamento de indução horizontal.
VTD
[mm/min]
1100
VTH
[mm/min]
3000
PTD
[%]
81
PTH
[%]
98,5
VRD
[mm/min]
1000
VRH
[mm/min]
2000
PRD
[%]
50
PRH
[%]
70
VTD: velocidade de têmpera do dente; VTH: velocidade de têmpera da haste; PTD: potência de têmpera do dente; PTH: potência de têmpera da
haste; VRD: velocidade de revenimento do dente; VRH: velocidade de revenimento da haste; PRD: potência de revenimento do dente; PRH: potência
de revenimento da haste.
Para os experimentos foram usadas 30 cremalheiras do mecanismo de direção hidráulico, conforme Fig. (2). As
cremalheiras eram confeccionadas de aço C43 com dimensões de 24 mm de diâmetro e 500 mm de comprimento. Todas
as cremalheiras usadas nos experimentos eram de uma mesma corrida de fabricação e com certificado de garantia de
suas propriedades mecânicas e metalúrgicas. Foram realizados tratamentos térmicos de indução horizontal sendo o
resfriamento realizado com jatos d’água com concentração de polímero de 7%, 7,5% e 8%.
Figura 2. Cremalheira utilizada nos experimentos.
As variáveis de resposta estudadas foram a flexão, o batimento radial, a dureza e a micro dureza das cremalheiras.
A flexão e o batimento radial das cremalheiras foram medidos usando um calibrador fabricado pela empresa ENGC
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dotado de relógios comparadores conforme a Fig. (3). A flexão e a micro dureza foram medidos somente na região dos
dentes, já o batimento radial e a dureza foram medidos na região dos dentes e na haste.
A diferença significativa entre os experimentos foi analisada pela análise de variância (ANOVA), seguida pelo
Teste de Tukey a 5% de significância para encontrar as melhores médias e Regressão para obter o melhor modelo.
Escolheu-se Regressão Linear ou Quadrática pelo maior valor do coeficiente de determinação. A análise de variância, o
teste de médias e a regressão foram realizados no software MINITAB TM.
Figura 3. Calibrador utilizado na mensuração das cremalheiras.
3.
ANÁLISE DOS RESULTADOS
Analisando o batimento radial e a retilinidade observa-se pela análise de variância apresentada na Tab. (2) com 5%
de significância que existe pelo menos dois tratamentos diferentes entre si (p-valor ≤ 0,05).
Tabela 2. Análise de variância para os atributos significativos.
Tipo de erro
Batimento
radial
Região dos
dentes
Batimento
radial
Região da
haste
Retilineidade
FV
Tratamento
Repetição
Erro
Total Corrigido
CV (%)
Média Geral
Tratamento
Repetição
Erro
Total Corrigido
CV (%)
Média Geral
Tratamento
Repetição
Erro
Total Corrigido
CV (%)
Média Geral
GL
2
29
58
89
33,00
0,7518889
2
29
58
89
41,88
0,0513333
2
29
58
89
41,01
0,2937780
SQ
1,645509
2,198646
3,571824
7,415979
QM
0,822754
0,075815
0,061583
FC
13,36
1,231
Pr > Fc
0,0000
0,2466
0,004127
0,010107
0,026807
0,041040
0,002063
0,0000349
0,000462
4,464
0,754
90
0,0157
0,7944
0,372949
0,386249
0,841718
1,600916
0,186474
0,013319
0,014512
12,849
0,918
90
0,0000
0,5902
90
FV = fonte de variação; GL = graus de liberdade; SQ = soma dos quadrados; QM = quadrado médio; Fc = Fcalculado;
CV (%) = coeficiente de variação.
Paralelamente, o Teste de Tukey mostrado na Tab. (3) com a 5% de significância, mostrou que o tratamento de
indução horizontal apresentou maior empenamento no que tange o batimento radial e retilinidade da região dos dentes
nas concentrações de polímero de 7% e 8%, não diferindo estatiscamente. Em relação ao batimento radial na região da
haste a situação que apresentou maior distorção dimensional foi quando se utilizou a concentração de 7%.
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Tabela 3. Teste de médias.
Concentração do polímero
7,00 %
7,50 %
8,00 %
Batimento Radial [mm]
Região dos dentes
0,85 a
0,56 b
0,85 a
Batimento Radial [mm]
Região da haste
0,06 a
0,05 ab
0,04 b
Retilinidade [mm]
0,36 a
0,21 b
0,31 a
Médias nas colunas seguidas por letras iguais não diferem entre si, a 5% de significância, pelo Teste de Tukey.
Pelo teste de médias apresentado na Tab. (3) e regressão quadrática da Fig. (4) verificou-se que operar o
equipamento de indução horizontal com concentração de polímero de 7,5% proporcionou menor distorção dimensional
da região dos dentes da cremalheira (região crítica), pois foi alcançado o tempo ótimo de revenimento. Dessa forma,
como não foi alterada a temperatura de austenitização dos corpos de prova o tamanho médio dos grãos austeníticos
prévios aumentou em função da variação da taxa de resfriamento que para os experimentos estava ligada diretamente a
concentração do polímero. Assim, pode-se dizer que ocorreu uma pequena reorganização estrutural dos grãos,
propiciando maior alívio de tensões residuais do processo de resfriamento durante a têmpera.
Figura 4. Regressão quadrática para os erros dimensionais.
Na última etapa, foi realizada a análise metalográfica das cremalheiras conforme pode ser observado na Fig. (5). De
acordo com a análise metalográfica verificou-se que as medidas da dureza e micro dureza das cremalheiras, nas
diferentes faixas de concentração do polímero, ficaram dentro da tolerância especificada para a peça, indicando a
igualdade dos tratamentos como pode ser observado na Tab. (4).
Tabela 4. Valores médios dureza nos dentes e na haste
Dureza nos dentes
Concentração (%)
Mínimo (HRC)
Máximo (HRC)
Mínimo (HRC)
Máximo (HRC)
7%
51
52
Dureza na haste
75
77
7,5%
8%
51
52
51
52
75
76
76
76
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Figura 5. Análise metalográfica através do corte longitudinal da cremalheira.
4. CONCLUSÕES
Considerando os resultados obtidos pode-se concluir que:
Para o tratamento térmico por indução na posição horizontal, os maiores valores de distorção dimensional, no
que tange o batimento radial e retilinidade da região dos dentes, são encontrados para a concentração de
polímero de 7% e 8%;
A concentração do polímero de 7,5%, diferentemente, proporciona menores distorções dimensionais na região
dos dentes;
Na região dos dentes da cremalheira observa-se que há uma tendência de redução dos valores dos erros
dimensionais à medida que se aumenta a concentração polimérica de 7% para 7,5%, e uma tendência de
aumento dos erros conforme se eleva a concentração de 7,5% para 8%;
Para a região da haste, com a concentração de 7% obteve-se os maiores valores de erros dimensionais;
Pela análise metalográfica das cremalheiras verificou-se que para as diferentes concentrações há igualdade dos
tratamentos não havendo diferença entre os valores de dureza.
5. REFERÊNCIAS
Ferreira, C.R., 2004, “Tratamento térmico por indução eletromagnética em tubos de aço SAE 1045 para a produção de
hastes de sondagem geológica”, Revista da Escola de Minas – Metalurgia e Materiais, v. 57 (1), pag. 23-26.
Laborelec, J.C., 2007, “Induction Heating, Power Quality & Utilisation Guide” - Section 7: Energy Efficiency, pag. 1-9.
Alba
therm,
2009,
Informativo
–
“Princípios
Físicos
do
aquecimento
indutivo”,
http://www.albatherm.com.br/informativo/principios_basicos_aquecimento.asp, acesso em 30 de junho de 2010.
Loveless, D., Rudnev, V., Cook, R., Boussie, T., 1998, “Innovative space saving idea for induction heat treating”.
Industrial Heating, march, p. 53-58.
Rudnev, V., Loveless,D., Lamonte, J., Demidovich, V., Powell.J. (1998) “A balanced approach to induction tube and
pipe heating”. The International Journal of Thermal Technology, p. 53-57, jun.
Novikov I., 1994, “Teoria do tratamento térmico dos metais”, Editora da UFRJ, pag, 337-340.
Rudnev, V. I., Loveless, D. L., Cook, R. L., Black, M. R. 1997 “Induction heat treatment: basics principles,
computation, coil construction, and design considerations”, In: TOTTEN, G. E., HOWES, M. A. H. Steel Heat
Treatment Handbook, M. New York: Dekker, p. 765-867.
Rudnev, V. I., Loveless, D. L., Miller, P. J., Black, M. R. 1996 “Progress in study of induction surface hardening of
carbon steels, gray irons and ductile irons”, Industrial Heating.
Silva,S.P; Abreu,G.A.; Pereira,R.F.P.; Brandão, L.C., 2010, “Estudo comparativo entre os processos de indução vertical
e horizontal em cremalheiras de sistemas de direção”. Anais... V Conferência sobre Temas de Tratamento Térmico
– II Seminário de Indução. Atibaia, Abril, v. 1, pag. 1-12.
6. DIREITOS AUTORAIS
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STUDY OF THE HORIZONTAL INDUCTION PROCESS IN GEAR RACKS
OF STEERING WHEEL SYSTEMS
Lincoln Cardoso Brandão, [email protected]
Sandro Pereira da Silva, [email protected]
Rafael Flávio Pimenta Pereira, [email protected]
Gabriel Andrade de Abreu, [email protected]
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Federal University of Sao Joao del-Rei
TRW Automotive Ltda.
Abstract. The thermal treatment by electromagnetic induction is one of the most effectives and productivities processes
with many different applications like full quenching, surface quenching, tempered, stress relief, annealing,
normalizing, and others. Among the induction heating processes the mean is the surface quenching in the horizontal
direction of automotives parts made of steel. In general, the benefits that recommend its use are the high power
density, fast heating, precise temperature control and the possibility to heat select regions. Variations of the induction
process are present in many companies, however, it is still necessary a complete understanding of this process’s
particularities, considering the errors and microestrutural variations, in addition the dimensional variations that arise
after the heat treatment. Thus, the objective of this work was to evaluate the flexion, the radial runout, the hardness,
microhardness and the thickness of gear racks of steering systems when they are subjected to induction heat treatment
in the horizontal direction, varying the polymer concentration in the concentration range of 7-8%. To evaluate the
significant difference among the experiments, it was used to the statistical treatment the variance analysis (ANOVA)
and is contrasts with 5% of significance (Tukey Test). The results of the experiments showed that the induction heat
treatment with concentration of polymer of 7% presented the highest dimensional distortion with respect to radial
runout and straightness in the region of rack teeth; and the metallographic analysis of test bars in this range of
concentration of polymer showed the equality of treatments. Therefore, we can conclude that the variation of polymer
concentration in the range specified influences only dimensional errors, without affecting the metallographic of racks.
Keywords: Horizontal induction, Gear racks, Steering Systems, Form error.