BR102015025410A2 - dispositivo para endurecimento por arrefecimento brusco individual de componentes de equipamento técnico - Google Patents
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Abstract
dispositivo para endurecimento por arrefecimento brusco individual de componentes de equipamento técnico. trata-se de um dispositivo para arrefecimento brusco individual de engrenagens, pinhões, anéis de rolamento e outros componentes semelhantes de dispositivos técnicos que operam em uma instalação de fornalha a vácuo, através da qual a câmara de arrefecimento brusco (1) da instalação é equipada com portas vedadas firmemente (2 e 3) para o carregamento e descarregamento de peça de trabalho (14). os seguintes elementos são encaixados dentro da câmara de arrefecimento brusco (1): mesa removível (4) sobre a qual uma peça de trabalho individual (14) é colocada, juntamente com um conjunto circundante de bocais removíveis (5); a entrada da câmara de arrefecimento brusco (1) apresenta um tanque fixado (6) que supre o meio de resfriamento aos bocais (5) - de preferência ar ou nitrogênio, ou argônio ou hélio, ou hidrogênio ou dióxido de carbono, ou misturas dos mesmos - enquanto a saída da câmara de arrefecimento brusco (1) é conectada à entrada de um tanque (7) que recebe meio de resfriamento expandido a partir da câmara (1); além disso, há um compressor (15) conectado entre os dois tanques (7 e 6), assegurando o fluxo de circuito fechado do meio de resfriamento.
Description
“DISPOSITIVO PARA ENDURECIMENTO POR ARREFECIMENTO BRUSCO INDIVIDUAL DE COMPONENTES DE EQUIPAMENTO TÉCNICO” [0001] A matéria da invenção é um dispositivo para endurecimento por arrefecimento brusco individual de componentes de equipamento técnico, isto é, para endurecimento controlado de componentes individuais, com o uso de um meio de resfriamento que visa minimizar a deformação.
[0002] O arrefecimento brusco é um processo de tratamento de calor aplicado ao aço, que consiste no resfriamento rápido de peças de trabalho a partir da temperatura de austenitização até uma temperatura próxima à ambiente. O endurecimento por arrefecimento brusco resulta na transformação da microestrutura de aço e no aprimoramento de ambas as propriedades mecânicas e utilizáveis, por exemplo, durabilidade, dureza, resistência ao desgaste, etc.
[0003] Diversas soluções existentes envolvem o arrefecimento brusco conduzido em dispositivos exclusivos ou câmaras de arrefecimento brusco, em diferentes meios de resfriamento líquido, tais como: óleo, água, sal ou - menos frequentemente - em gases ou ar. Por enquanto, o óleo permanece o meio de arrefecimento brusco mais comum.
[0004] As peças de trabalho endurecidas por arrefecimento brusco são comumente dispostas em lotes no equipamento exclusivo (bandejas, cestas, etc.), que constituem as chamadas cargas de trabalho, ou as mesmas são colocadas em grandes quantidades nas correias transportadoras para serem aquecidas em fornalhas até a temperatura de austenitização e endurecidas em dispositivos de arrefecimento brusco. Os dispositivos de arrefecimento brusco podem ser elementos integrais de fornalhas de austenitização ou soluções separadas independentes.
[0005] Um recurso característico de todos os dispositivos de arrefecimento brusco é a presença de uma unidade projetada para assegurar a circulação forçada do fluido de resfriamento - misturador no caso de líquidos e ventiladores no caso de gases. A circulação forçada do meio de resfriamento é necessária para transferência eficaz de calor das peças de trabalho bruscamente arrefecidas para o trocador de calor, o qual - por sua vez - direciona o calor para fora do dispositivo de arrefecimento brusco (comumente com o uso de água ou outro meio externo de resfriamento). Consequentemente, a presença de um ou mais trocadores de calor é também característica em dispositivos de arrefecimento brusco clássicos.
[0006] Em dispositivos de endurecimento por arrefecimento brusco convencionais, o processo prossegue da seguinte forma: depois de ser aquecida à temperatura de austenitização, a carga de trabalho é transportada da fornalha para o dispositivo de arrefecimento brusco no qual o fluido de resfriamento absorve o calor, resfriando, assim, a carga de trabalho. Depois, o fluido de resfriamento (aquecido por meio da carga de trabalho) é direcionado para o trocador de calor, onde é resfriado e redirecionado para a carga de trabalho para absorver o calor. É assegurado um fluxo ótimo do fluido de resfriamento por meio dos misturadores (para líquidos) e ventiladores (para gases), que é direcionado por meio de estatores e dutos apropriados.
[0007] Além disso, para se obter propriedades mecânicas apropriadas no processo de endurecimento por arrefecimento brusco, é importante minimizar a deformação causada pelas tensões que resultam dos gradientes de temperatura e pela transformação de estrutura material durante o arrefecimento brusco. As deformações exigem usinagem dispendiosa para suavizar o formato de elementos individuais, e, portanto, a meta é minimizar a deformação e alcançar máxima repetitividade.
[0008] Teoricamente, a minimização da deformação pode ser alcançada fornecendo-se condições de resfriamento idênticas e uniformes, tanto para uma única peça de trabalho, quanto para todas peças de trabalho (o que é particularmente importante na produção em massa). O óleo de arrefecimento brusco convencional resulta em deformação aumentada devido à natureza trifásica do processo (amortecimento a vapor, bolha e fases de convecção) e a intensidade relacionada não uniforme de absorção de calor. De modo semelhante, não é uma solução ótima dispor os elementos individuais em cargas de trabalho por lote porque cada peça de trabalho - devido a sua posição única na carga de trabalho - passa pelo processo de endurecimento de uma maneira única, diferente, que exibe consequentemente a deformação que difere de outras peças de trabalho.
[0009] Dada as desvantagens acima dos dispositivos de arrefecimento brusco convencionais - em termos de minimização e repetitividade de deformação têm sido iniciados trabalhos para desenvolver um dispositivo para endurecimento repetível de peças de trabalho individuais em um meio de resfriamento.
[0010] O recurso essencial do dispositivo para arrefecimento brusco individual -que constitui a presente invenção - consiste nos seguintes elementos que estão situados dentro da câmara de arrefecimento brusco: mesa removível, na qual uma peça de trabalho individual é colocada juntamente com um conjunto circundante de bocais removíveis; a entrada da câmara de arrefecimento brusco apresenta um tanque anexo que supre o meio de resfriamento para o bocais, enquanto a saída da câmara de arrefecimento brusco é conectada à entrada de um tanque que recebe o meio de resfriamento expandido a partir da câmara; além disso, existe um compressor conectado entre os dois tanques que assegura o fluxo de circuito fechado do meio de resfriamento.
[0011] Vantajosamente, os seguintes itens são conectados de preferência entre a saída do tanque e a entrada da câmara de arrefecimento brusco: controlador para ajustar a taxa de fluxo de gás recebido e uma válvula de fechamento; enquanto os seguintes itens são adaptados de preferência entre a saída da câmara de arrefecimento brusco e a entrada de tanque: válvula de fechamento, controlador para ajustar a taxa de fluxo de gás recebido, e um trocador de calor para resfriar o meio de resfriamento aquecido durante o processo de arrefecimento brusco.
[0012] Vantajosamente, a saída de tanque é conectada à entrada de compressor por meio da válvula de fechamento, enquanto a saída de compressor é conectada à entrada de tanque por meio da válvula de fechamento e do trocador de calor para resfriar o meio comprimido.
[0013] Adicionalmente, é benéfico quando a câmara de arrefecimento brusco é conectada — por meio da válvula de fechamento - à entrada de uma bomba de vácuo ajustada para habilitar a remoção de ar e carregamento da câmara de arrefecimento brusco 1 sob as condições de vácuo.
[0014] Vantajosamente, o posicionamento e os parâmetros da mesa removível e do conjunto de bocais circundante são a cada vez ajustados para o formato da peça de trabalho resfriada no processo de arrefecimento brusco, devido ao qual um influxo uniforme e ideal do meio de resfriamento é obtido, de preferência ar ou nitrogênio, ou também argônio ou hélio, ou hidrogênio ou dióxido de carbono, ou misturas dos mesmos.
[0015] O dispositivo de acordo com a invenção habilita o resfriamento controlado da peça de trabalho submetida ao arrefecimento brusco retendo-se - por um tempo específico - o fluxo forçado do meio de resfriamento, em qualquer ponto determinado durante o processo de resfriamento, e que retoma o fluxo em seguida, em diversas condições de fluxo e pressão, repetido uma vez ou diversas vezes. Esse método permite: formar de maneira livre a curva de resfriamento, alcançar propriedades mecânicas e microestrutura ótima de aço e eliminar o processo de têmpera (o qual é normalmente necessário após o endurecimento).
[0016] A aplicação de arrefecimento brusco controlado das peças de trabalho individuais resulta na deformação minimizada de cada peça de trabalho, assim como plena repetitividade de deformação para todos os itens do mesmo tipo, ao mesmo tempo em que oferece propriedades mecânicas extraordinárias.
[0017] A invenção é descrita abaixo em mais detalhes, tomando-se o exemplo de um modelo executado específico - conforme mostrado no desenho da câmara de arrefecimento brusco juntamente com o sistema de resfriamento.
LISTA DE INDICAÇÕES NO DESENHO 1. Câmara de arrefecimento brusco 2. Porta carregamento 3. Porta de descarregamento 4. Mesa 5. Bocais 6. Tanque que supre o meio de resfriamento para os bocais 7. Tanque que recebe o meio de resfriamento expandido a partir da câmara de arrefecimento brusco 8. Válvula de fechamento 9. Válvula de fechamento 10. Controlador 11. Controlador 12. Trocador de calor 13. Trocador de calor 14. Peça de trabalho submetida ao endurecimento por arrefecimento brusco 15. Compressor 16. Válvula de fechamento 17. Válvula de fechamento 18. Sistema de bomba de vácuo 19. Válvula de fechamento [0018] O dispositivo de acordo com a invenção opera em uma instalação de fornalha a vácuo contínuo com câmaras a vácuo separadas para o aquecimento e carbonetação, difusão, pré-resfriamento e arrefecimento brusco. A câmara de arrefecimento brusco 1 - equipada com portas de fechamento firme 2 e 3 projetadas para carregamento e descarregamento da peça de trabalho 14, situadas opostas uma à outra - é conectada por meio de uma válvula de fechamento 19 com a entrada de sistema de bomba a vácuo 18 para habilitar a remoção de ar e o carregamento da câmara de arrefecimento brusco 1 em condições de vácuo.
[0019] Os seguintes itens são adaptados dentro da câmara de arrefecimento brusco 1: mesa removível 4 na qual uma peça de trabalho individual 14 é colocada, circundada por um conjunto de bocais removíveis 5. Anexo à entrada da câmara de arrefecimento brusco 1, existe um tanque 6 que supre o meio de resfriamento para os bocais 5, enquanto que a saída da câmara de arrefecimento brusco 1 é conectada à entrada do tanque 7 que coleta o meio de resfriamento expandido a partir da câmara de arrefecimento brusco 1. Além disso, conectado entre os tanques 7 e 6, existe um compressor 15 que assegura o fluxo de circuito fechado do meio de resfriamento.
[0020] O posicionamento e parâmetros da mesa removível 4 e do conjunto circundante de bocais removíveis 5 são adaptados de cada vez ao formato da peça de trabalho 14 submetida ao resfriamento durante o processo de arrefecimento brusco, o qual oferece um influxo uniforme e ideal do meio de resfriamento.
[0021] Os itens seguintes são conectados entre a saída do tanque 6 e a entrada da câmara de arrefecimento brusco 1: controlador 10 para ajustar a taxa de fluxo de gás de alimentação e uma válvula de fechamento 8; enquanto que os seguintes itens são de preferência adaptados entre a saída da câmara de arrefecimento brusco 1 e a entrada do tanque 7: válvula de fechamento 9, controlador 11 para controlar a taxa de fluxo de gás recebido, e um trocador de calor 12 para resfriar o meio de resfriamento aquecido durante o processo de arrefecimento brusco.
[0022] A saída do tanque 7 é conectada à entrada do compressor 15 por meio da válvula de fechamento 16, enquanto a saída do compressor 15 é conectada à entrada de tanque 6 por meio da válvula de fechamento 17 e do trocador de calor 13 para resfriar o meio de resfriamento.
[0023] No exemplo em discussão, na câmara de arrefecimento brusco 1 produzida a partir de aço de maquinaria, existe a peça de trabalho 14 submetida a processamento térmico — uma engrenagem de 150 mm, produzida a partir do aço de carbonetação 20MnCr5; o nitrogênio é aplicado como o meio de resfriamento.
[0024] Depois do aquecimento na fornalha e da carbonetação para a espessura da camada exigida a uma temperatura acima da temperatura de austenitização (por exemplo, 950 °C), a peça de trabalho 14 é transferida no vácuo para câmara de arrefecimento brusco 1. Enquanto isso, um vácuo de pelo menos 0,1 hPa é alcançado na câmara de arrefecimento brusco 1 com o uso do sistema de vácuo 18, com a válvula 19 aberta. Em seguida, após a abertura da porta de carregamento 2, a peça de trabalho 14 é transferida por meio de um mecanismo de transporte ou um manipulador para a câmara de arrefecimento brusco 1, onde a mesma é colocada sobre a mesa 4. A porta de carregamento 2 e a válvula a vácuo 19 são fechadas. Em seguida, a válvula 8 na entrada de gás para a câmara de arrefecimento brusco 1 é aberta, assim como a válvula 9 na saída de gás. O gás de resfriamento a partir do tanque de alimentação 6 flui para os bocais 5 a 2 MPa, que é direcionado na peça de trabalho 14 submetida ao arrefecimento brusco. O gás absorve o calor a partir da peça de trabalho 14 - resfriando, assim, a mesma - e quando aquecido, flui para o tanque de recebimento 7, à pressão do meio ambiente. Antes da entrada no tanque 7, o gás é resfriado no trocador de calor de gás a gás (nitrogênio-ar) 12. A taxa de fluxo do gás de resfriamento (e, portando, a velocidade de resfriamento) é ajustada pelos controladores 10 e 11 que também ajustam a pressão do gás na câmara de arrefecimento brusco 1. Conforme a pressão dentro do tanque de recebimento 7 se eleva para 0,1 MPa, o compressor 15 é engatado, as válvulas de fechamento 16 e 17 se abrem, e o gás é bombeado de volta para o tanque de alimentação 6 (através de outro trocador de calor 13), o qual fecha o circuito de gás de resfriamento. Após algumas dezenas de segundos, a peça de trabalho 14 é bruscamente arrefecida e resfriada a uma temperatura que habilita o descarregamento - comumente sob 200 °C. Depois que a válvula de fechamento 8 é fechada e a pressão na câmara de arrefecimento brusco 1 diminui para o nível quase ambiente, a válvula de fechamento 9 e o compressor parado 15 são ambos fechados. Ao mesmo tempo, as válvulas de fechamento 16 e 17 também são fechadas. Em seguida, a porta de descarregamento 3 se abre, e a peça de trabalho 14 pode ser removida da câmara de arrefecimento brusco 1 - por meio de um mecanismo de transporte ou um manipulador. Como resultado de um processo conduzido da maneira descrita acima, a peça de trabalho 14 é bruscamente arrefecida de modo apropriado, atingindo os níveis de dureza de 60 a 62 HRC na superfície e 32 a 34 HRC no núcleo. Adicionalmente, depois de fechar a porta 3, é criado um vácuo na câmara de arrefecimento brusco 1 (em 0,1 hPa), e outra peça de trabalho 14 pode ser carregada para prosseguir com outro ciclo de arrefecimento brusco, cada ciclo com duração está na faixa entre 10 e 1.000 s.
[0025] A aplicação de gás como um meio de resfriamento permite alcançar um resfriamento uniforme (um processo de fase única com base na convecção exclusivamente) e pleno controle da intensidade de processo, ajustando-se a densidade do gás ou velocidade de fluxo. O endurecimento por arrefecimento brusco de elementos individuais oferece ajuste preciso do fluxo de gás de resfriamento para o formato da peça de trabalho e repetição perfeita das condições de resfriamento para cada peça de trabalho na produção em massa.
REIVINDICAÇÕES
Claims (5)
1. Dispositivo para o arrefecimento brusco individual de engrenagens, pinhões, anéis de rolamento e outros componentes semelhantes de dispositivos técnicos, que opera em uma instalação de fornalha a vácuo, através da qual a câmara de arrefecimento brusco da instalação é equipada com portas vedadas firmemente para carregamento e descarregamento de peça de trabalho, caracterizado pelo fato de que os seguintes elementos são adaptados dentro da câmara de arrefecimento brusco: mesa removível sobre a qual uma única peça de trabalho é colocada, circundada por um conjunto de bocais removíveis, enquanto na entrada da câmara de arrefecimento brusco há um tanque que supre o meio de resfriamento aos bocais, enquanto a saída da câmara de arrefecimento brusco é conectada à entrada do tanque que coleta o meio de resfriamento expandido a partir da câmara de arrefecimento brusco, e, além disso, é conectada entre os tanques e existe um compressor assegurando o fluxo de circuito fechado do meio de resfriamento.
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os seguintes itens são conectados entre a saída do tanque e a entrada da câmara de arrefecimento brusco: controlador (10) para ajustar a taxa de fluxo de gás de alimentação e uma válvula de fechamento, enquanto os seguintes itens são, de preferência, encaixados entre a saída da câmara de arrefecimento brusco e a entrada do tanque: válvula de fechamento, controlador para controlar taxa de fluxo de gás recebido e um trocador de calor (12) para resfriar o meio de resfriamento aquecido durante o processo de arrefecimento brusco.
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a saída do tanque é conectada à entrada do compressor por meio da válvula de fechamento, enquanto a saída do compressor é conectada ao tanque entrada por meio da válvula de fechamento e o trocador de calor aplicado para resfriar o meio de resfriamento.
4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a câmara de arrefecimento brusco é conectada - por meio de válvula de fechamento - à entrada de uma bomba de vácuo ajustada para habilitar a remoção de ar e carregamento da câmara de arrefecimento brusco sob condições de vácuo.
5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o posicionamento e parâmetros da mesa removível e do conjunto de bocais circundante são a cada vez ajustados para o formato da peça de trabalho resfriada no processo de arrefecimento brusco, devido ao qual um influxo uniforme e ideal do meio de resfriamento é obtido, de preferência ar ou nitrogênio, ou também argônio ou hélio, ou hidrogênio ou dióxido de carbono, ou misturas dos mesmos.
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