BR112019025443B1

BR112019025443B1 - Processo de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono

Info

Publication number: BR112019025443B1
Application number: BR112019025443-9A
Authority: BR
Inventors: Atulkumar Raghavjibhai Saradva
Original assignee: Atulkumar Raghavjibhai Saradva
Priority date: 2017-06-03
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2023-04-25
Also published as: CN110730696A; US11065672B2; WO2018220648A1; GB2577202A; KR20200016291A; KR102483270B1; CA3091627A1; GB201917123D0; JP2020528354A; JP6982337B2; EP3630387A4; CN110730696B; AU2018277621B2; RU2751209C1; BR112019025443A2; US20200391275A1; EP3630387A1; AU2018277621A1

Abstract

Um processo de fabricação de segmento para rolamento de impulso de carbono usa barras redondas /folhas/toras de aço inoxidável (SS) de grau adequado como matéria prima. As barras redondas/folhas/toras de SS passam por uma operação de corte para cortar em tarugos de SS. Os tarugos passam sucessivamente por processos de aquecimento e forjamento a quente para formar segmentos dos formatos desejados. Posteriormente, o segmento é submetido a um processo de tratamento térmico, ou seja, processo de alívio de tensão, endurecimento e têmpera sucessivamente para obter consistente e uniforme estrutura de grão, propriedades mecânicas e propriedades físicas de segmentos que são rentáveis em termos de menor manutenção e menores esforços de manuseio. Após o processo de tratamento térmico, o segmento passa por processos de acabamento de superfície, ou seja, esmerilhamento, lapidação e polimento sucessivamente para obter acabamento de superfície espelhada, que proporciona maior propriedade anti-atrito e menor coeficiente de atrito. O processo de fabricação de acordo com a presente invenção produz uma consistente estrutura de grãos, microestrutura de segmentos refinada, densa e uniforme que conferem ótima resistência, ductilidade, tenacidade e resistência ao impacto e fadiga.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção refere-se a um processo de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono e, mais particularmente, refere-se a um processo de fabricação que reduz o tempo de produção dos segmentos a partir de matérias-primas e melhora as propriedades mecânicas e físicas, isto é, resistência, dureza, ductilidade, tenacidade e estrutura uniforme de grão dos segmentos para rolamento de impulso de carbono.

Arte anterior

[002] Os rolamentos de impulso de carbono desempenham um papel crítico em motores submersíveis, bombas e outros dispositivos mecânicos como uma alternativa aos rolamentos comuns. Os rolamentos de impulso de carbono são usados em todo o mundo em motores submersíveis, bombas para garantir o fornecimento adequado de água aos níveis mais altos de edifício e para garantir a segurança do motor e da bomba em condições de funcionamento a seco. O rolamento de impulso de carbono compreende componentes, tais como placa de encosto, almofada de carbono, segmentos e suporte de segmento. No rolamento de impulso de carbono, os segmentos desempenham um papel vital para suportar as cargas flutuantes de motores e bombas submersíveis durante a condição de operação.

[003] Na era atual, os segmentos dos rolamentos de impulso de carbono são fabricados pelo processo de fabricação convencional, que compreende maior número de etapas de processamento para a produção de segmentos. O processo de fabricação convencional compreende etapas de processamento de injeção de cera, montagem de conjunto, revestimento de lama, estuque, remoção de cera, proteção, preparação de metal fundido, testes espectrográficos para o grau exigido, fundição, nocaute, corte, esmerilhamento de canais, jateamento, tratamento térmico para produção de segmentos de rolamento de impulso de carbono. Este processo de fabricação convencional consome mais tempo desde o processo de injeção de cera até o processo de esmerilhamento de canais e requer trabalhadores qualificados para preparar o metal fundido conforme o grau requerido e para testes espectrográficos do dito metal fundido. Além disso, as etapas de processamento do processo de fabricação convencional são caras, pois exigem mais infraestruturas, maquinário caro, consumíveis e energia, o que resulta em alto custo dos segmentos acabados para rolamentos de impulso de carbono.

[004] Vários processos para a fabricação de rolamentos de impulso de carbono e suas partes relevantes têm sido desenvolvidos para o mesmo. Um desses métodos de fabricação de rolamento de impulso de carbono foi divulgado em US3831241, no qual o rolamento e suas partes produzidas têm uma indesejável tensão de têmpera e menos ductilidade. Além disso, são necessárias forças mais altas para iniciar e concluir a deformação das peças do rolamento. Além disso, a tensão de têmpera das peças do rolamento reduz a resistência do rolamento e das peças do rolamento.

[005] No processo de fabricação convencional, como os segmentos são produzidos a partir do metal fundido, a possibilidade de defeitos, isto é, como bolhas, impurezas de superfície, dobras e orifícios no segmento de rolamento de impulso de carbono tende a aumentar (rejeição é em torno de 20-30%). Além disso, as propriedades físicas e mecânicas, ou seja, resistência, dureza, ductilidade, tenacidade e estrutura uniforme de grão dos segmentos produzidos pelo processo de fabricação convencional, são pobres. Além disso, o processo de fabricação convencional leva no mínimo 4 a 5 semanas para produzir os segmentos de rolamento de impulso de carbono a partir das matérias- primas.

[006] Portanto, pode-se observar que ainda existe a necessidade de um processo de fabricação econômico, com economia de tempo e eficiente que elimine o processo tedioso e caro existente para a produção dos segmentos e possui excepcional resistência, dureza, ductilidade, tenacidade e estrutura uniforme de grão dos segmentos para rolamento de impulso de pressão de carbono.

Objetivo da invenção

[007] O principal objetivo da presente invenção é fornecer um processo de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono.

[008] Outro objetivo da presente invenção é fornecer um processo de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono que forneça excepcional resistência, dureza, tenacidade, ductilidade e estrutura uniforme de grão dos segmentos.

[009] Ainda, outro objetivo da presente invenção é fornecer um processo de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono, que reduza o tempo de processo de fabricação de segmentos e também reduza o custo dos segmentos.

[0010] Ainda, outro objetivo da presente invenção é fornecer um processo de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono que reduza a possibilidade de defeitos, isto é, bolhas, impurezas de superfície, dobras e orifícios no segmento.

Breve descrição dos desenhos

[0011] A Fig. 1 ilustra uma representação fotográfica da microestrutura do segmento obtida pelo processo convencional de fundição de investimento, de acordo com a técnica anterior, que mostra a falta de estrutura consistente de grão e fluxo de grão do segmento para rolamento de impulso de carbono.

[0012] A Fig. 2 ilustra uma representação fotográfica da microestrutura do segmento obtida pelo presente processo de fabricação, de acordo com a presente invenção, que mostra uma estrutura consistente de grão e um fluxo de grão do segmento para rolamento de impulso de carbono.

[0013] A Fig. 3 ilustra uma representação fotográfica da microestrutura do segmento obtida pelo processo convencional de fundição de precisão de acordo com a técnica anterior, que mostra a microestrutura não refinada e não uniforme do segmento para rolamento de impulso de carbono.

[0014] A Fig. 4 ilustra uma representação fotográfica da microestrutura do segmento obtida pelo presente processo de fabricação, de acordo com a presente invenção, que mostra uma microestrutura mais refinada, densa e uniforme do segmento para rolamento de impulso de carbono.

Resumo da invenção

[0015] Um processo de fabricação de segmento para rolamento de impulso de carbono da presente invenção usa aço inoxidável (SS) (barras redondas)/folhas/toras de qualidade adequada como matéria-prima. O aço inoxidável (barras redondas)/folhas/toras passam por uma operação de corte para cortar tarugos de aço inoxidável de tamanhos predeterminados. Os tarugos são aquecidos em forno de indução a 900°C-1000°C. Posteriormente, os tarugos passam por forjamento a quente de matriz aberta ou forjamento a quente de matriz fechada para adquirir a forma desejada dos segmentos. Após o forjamento a quente de matriz aberta, o segmento é submetido a processos de aparar-esmerilhar sucessivamente para remover as rebarbas formadas nas bordas do segmento. Para forjamento a quente de matriz fechada, os processos de aparar-esmerilhar não são necessários. Posteriormente, o segmento é submetido a um processo de tratamento térmico, ou seja, processo de alívio de tensão, endurecimento e têmpera sucessivamente para obter propriedades mecânicas e propriedades físicas predeterminadas de segmentos que são econômicos em termos de menor manutenção e menor esforço de manuseio. Após o processo de tratamento térmico, o segmento passa por processos de acabamento de superfície, ou seja, o esmerilhamento da superfície para obter a superfície final acabada e, posteriormente, os processos de lapidação e polimento são realizados sucessivamente para obter o grau ideal de planicidade e espelhamento como acabamento superficial do segmento que proporciona maior propriedade de anti-atrito e menor coeficiente de atrito.

Descrição detalhada da invenção

[0016] A natureza da invenção e a maneira como ela funciona é claramente descrita na especificação provisória. A invenção tem várias formas de realização e são claramente descritas nas páginas seguintes da especificação provisória. Antes de explicar a presente invenção, deve ser entendido que a fraseologia e terminologia aqui empregadas são para fins de descrição e não de limitação.

[0017] A presente invenção refere-se a um processo de fabricação para eliminar o excesso de etapas de processamento do processo convencional de fabricação dos segmentos para rolamentos de impulso de carbono e para obter excepcional resistência, dureza, ductilidade, tenacidade e estrutura uniforme de grãos dos segmentos para rolamento de impulso de carbono.

[0018] Antes de explicar a presente invenção, deve-se entender que o termo "temperatura de recristalização" refere-se à temperatura na qual os grãos de metal deformados são substituídos por um novo conjunto de grãos sem defeitos (sem tensão) para redução de resistência e dureza e aumento simultâneo da ductilidade. A temperatura de recristalização para aços varia tipicamente entre 400°C e 700°C.

[0019] De acordo com a presente invenção, o processo de fabricação de segmentos para rolamentos de impulso de carbono usa barras redondas/folhas/toras de aço inoxidável (doravante denominadas SS) como matéria-prima ou insumo. As barras redondas/folhas/toras de SS passam por uma operação de corte na prensa de corte para cortar tarugos de SS de tamanho predeterminado. Posteriormente, os tarugos de aço são aquecidos no forno de indução a 900°C-1000°C acima de sua temperatura de recristalização para reduzir a tensão residual e facilitar a usinagem. O aquecimento por indução fornece aquecimento rápido, eficiente e uniforme dos tarugos de aço. Os tarugos de SS aquecidos sofrem processo de forjamento a quente, de preferência em prensa mecânica, prensa hidráulica ou prensa de parafuso de fricção, tendo matrizes de forjamento para formar a forma desejada dos segmentos para rolamento de impulso de carbono. No processo de forjamento a quente, os tarugos de aço inoxidável são posicionados entre as matrizes de forjamento e submetidos a uma (única ou) pluralidade de golpes através do êmbolo/pistão da prensa mecânica, prensa hidráulica ou parafuso de fricção para formar a forma desejada dos segmentos. Na prensa hidráulica, uma (única ou) pluralidade de golpes é aplicada no êmbolo/pistão através da pressão do fluido hidráulico. Na prensa mecânica e na prensa de parafuso de fricção, uma (única ou) pluralidade de golpes é aplicada no êmbolo/pistão através do motor. Após o processo de forjamento a quente, os tarugos de aço adquirem o formato desejado dos segmentos de acordo com a forma das matrizes.

[0020] Se as matrizes abertas são usadas no processo de forjamento a quente, é chamado de processo de forjamento a quente de matriz aberta e se as matrizes fechadas são usadas no processo de forjamento a quente, é chamado de processo de forjamento a quente de matriz fechada.

[0021] Durante o processo de forjamento a quente de matriz aberta, uma fina camada de metal compactado é formada nas bordas do dito segmento e linha de separação do molde, e a dita uma camada fina de metal compactado é chamada de "rebarba". Portanto, após o processo de forjamento a quente de matriz aberta, o segmento deve ser submetido ao processo de aparar e esmerilhar sucessivamente, de preferência em prensas e esmerilhadora de bancada, respectivamente, para remover as rebarbas formadas nas bordas do segmento durante a forja a quente de matriz aberta e obter acabamento superficial de precisão do segmento. Se as matrizes fechadas são usadas no processo de forjamento a quente, as rebarbas formadas nas bordas do segmento durante o processo de forjamento a quente de matriz fechada são desprezíveis e, portanto, os processos de aparar e esmerilhar são eliminados. O forjamento a quente de matriz fechada também é conhecido como processo de forjamento de matriz de impressão.

[0022] Posteriormente, para alcançar as propriedades mecânicas e físicas desejadas do segmento resultante, o processo de tratamento térmico, isto é, aliviar a tensão, endurecer e temperar, é realizado sucessivamente, a fim de obter uma estrutura de grão fina e uniforme do segmento e aumentar a resistência, dureza, ductilidade e tenacidade do segmento para rolamento de impulso de carbono. No processo de alívio de tensão, o segmento é aquecido até uma temperatura de 545°C-555°C em um forno ou fornalha, e mantendo-se nessa temperatura por tempo suficiente para atingir a redução desejada nas tensões residuais internas e, em seguida, o segmento é resfriado a uma velocidade suficientemente lenta para evitar a formação de tensão térmica excessiva. A redução nas tensões residuais internas do segmento depende da composição do aço, seleção de temperatura, tempo e velocidade de resfriamento.

[0023] Deve-se entender que o termo "temperatura crítica" é a temperatura de transformação na qual o aço entra em solução sólida, onde átomos dos metais e átomos de carbono no aço se misturam livremente e, por fim, se unem. A temperatura na qual esse processo começa é chamada de temperatura crítica mais baixa do aço. A temperatura crítica para os aços varia geralmente entre 1335°F-1525°F (724°C-830°C). A temperatura crítica mais baixa para os aços geralmente varia de 600°C-724°C.

[0024] Após o processo de alívio de tensão, o segmento é submetido a um processo de endurecimento para aumentar a dureza e a tenacidade do segmento e adquirir uma estrutura uniforme de grãos do segmento. No processo de endurecimento, o segmento é aquecido a 1040 °C acima de sua temperatura crítica na fornalha e mantido o segmento nessa temperatura por um período definido de tempo de cerca de 80-120 minutos e, em seguida, temperado em um meio de têmpera de óleo ou ar até atingir a temperatura ambiente para atingir a dureza desejada do segmento. O tempo geralmente depende das características do material, dimensão e espessura do segmento e a dureza dos segmentos alcançados depende da taxa de resfriamento. Deve-se notar que a têmpera súbita aumenta muito a dureza dos segmentos.

[0025] Após o endurecimento, o processo de têmpera é realizado para remover a tensão de resfriamento, reduzir a fragilidade e o excesso de dureza, aumentar a tenacidade e obter propriedades mecânicas e físicas predeterminadas dos segmentos. No processo de têmpera, o segmento endurecido é reaquecido à temperatura de 245°C-255°C abaixo de sua temperatura crítica mais baixa e gradualmente resfriado à temperatura ambiente na velocidade de resfriamento necessária para aliviar as tensões de resfriamento e obter os valores exigidos das propriedades mecânicas, como resistência, dureza, ductilidade, tenacidade. O segmento obtido após a têmpera tem melhores propriedades mecânicas e físicas. As propriedades mecânicas do segmento também dependem da temperatura de têmpera, tempo de têmpera e taxa de resfriamento. O processo de tratamento térmico aumenta as propriedades mecânicas, isto é, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. Após o processo de tratamento térmico, o segmento passa por processos de acabamento de superfície, ou seja, o esmerilhamento da superfície para obter a superfície final acabada e, posteriormente, o processo de lapidação e polimento são realizados sucessivamente para obter o grau ótimo de planicidade e o acabamento de superfície espelhado do segmento, proporcionando maior propriedade anti-atrito e menor coeficiente de atrito. Além disso, os ditos processos de acabamento de superfície, isto é, esmerilhamento, lapidação e polimento de superfícies, são realizados na esmerilhadora, lapidadora e politriz, respectivamente.

[0026] Além disso, o presente processo de fabricação produz uma estrutura de grão consistente do segmento que é mostrado na Fig. 2; confere microestrutura refinada, densa e uniforme do segmento que é mostrado na Fig. 4; e confere uma ótima resistência, ductilidade, tenacidade e resistência ao impacto e fadiga. Essa microestrutura densa e uniforme melhora as propriedades físicas e mecânicas dos segmentos.

[0027] A presente invenção é ilustrada mais detalhadamente no exemplo a seguir. O exemplo descreve e demonstra a forma de realização dentro do escopo da presente invenção. Este exemplo é dado apenas para fins ilustrativos e não deve ser interpretado como limitações da presente invenção, pois são possíveis muitas variações sem se afastar do espírito e do âmbito. Exemplo 1: a) A barra redonda de aço inoxidável de grau AISI 420B (SS 420B) foi selecionada como insumo ou matéria-prima e foi submetida a operação de corte na prensa de corte para formar tarugos; b) Os ditos tarugos foram submetidos a processo de aquecimento na temperatura de 900°C-1000°C em forno de indução; c) Os tarugos de aço obtidos na etapa (b) foram submetidos a um processo de forjamento a quente em prensa mecânica usando matrizes de forjamento fechadas para formar segmentos da forma desejada; d) Os segmentos obtidos na etapa (c) foram submetidos a um processo de alívio de tensão à temperatura de 545°C-555°C para reduzir a tensão residual interna e impedir a formação de tensão térmica excessiva; e) Os segmentos obtidos na etapa (d) foram submetidos a um processo de endurecimento à temperatura de 1040°C para aumentar a dureza e tenacidade e adquirir estrutura uniforme de grãos do segmento; f) Os segmentos obtidos na etapa (e) foram submetidos ao processo de têmpera à temperatura de 245°C- 255°C para reduzir a fragilidade e o excesso de dureza; g) Os segmentos obtidos na etapa (f) foram submetidos a um processo de esmerilhamento na esmerilhadora para adquirir a superfície acabada do segmento; h) Os segmentos obtidos na etapa (g) foram submetidos sucessivamente ao processo de lapidação e processo de polimento na máquina de lapidação e na politriz, respectivamene, para obter um grau ótimo de acabamento e planicidade da superfície, para obter a superfície espelhada do segmento.

[0028] As propriedades mecânicas aprimoradas dos segmentos obtidas pelas ditas etapas do processo de fabricação (a-g) são fornecidas na tabela 1 abaixo, em comparação com as propriedades mecânicas dos segmentos obtidos pelo processo convencional de fundição de precisão: Tabela 1

[0029] Além disso, as tiras/toras de aço inoxidável da classe SS 420B selecionadas como insumo ou matéria-prima compreendidas pela composição dada abaixo na Tabela 2: Tabela 2

Vantagens:

[0030] O novo processo de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono de acordo com a presente invenção é eficiente, econômico e economiza tempo, o que elimina as etapas de processamento tediosas e caras do processo convencional de fabricação de segmentos para rolamento de impulso de carbono. Além disso, o presente processo de fabricação produz uma estrutura consistente de grãos do segmento (como mostrado na Fig 2); fornece microestrutura refinada, densa e uniforme do segmento (como mostrado na Fig. 4), que resulta em ótima resistência, ductilidade, tenacidade e resistência ao impacto e fadiga. A microestrutura densa e uniforme melhora as propriedades físicas e mecânicas do segmento para rolamentos de impulso de carbono. Se a melhoria for calculada em termos práticos, a economia de tempo, infraestrutura, equipamentos e maquinário para a produção de cada segmento refletirá na rentabilidade do processo de fabricação em termos de menor manutenção, eletricidade reduzida e menor esforço de manuseio. Portanto, o processo de fabricação da presente invenção fornece economia significativa em relação ao atual estado da técnica.

Claims

1. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: a) cortar as barras redondas ou tiras de aço inoxidável selecionadas de AISI 420, AISI 420A, AISI 420B, AISI 420C, AISI 410 para formar tarugos; b) aquecer os tarugos de aço obtidos na etapa (a) a 900°C-1000°C em forno de indução; c) realizar um processo de forjamento a quente em tarugos de aço obtidos na etapa (b) usando matrizes de forjamento para formar segmentos da forma desejada, em que o processo de forjamento a quente é realizado em prensa mecânica ou prensa hidráulica; d) realizar um processo de alívio de tensão no segmento obtido na etapa (c) a uma temperatura de 545°C- 555°C para reduzir a tensão residual interna e impedir a formação de tensão térmica excessiva; e) realizar um processo de endurecimento após o processo de alívio de tensão no segmento obtido na etapa (d) a uma temperatura de 1040 °C para aumentar a dureza e tenacidade e adquirir estrutura uniforme de grão do segmento; f) realizar um processo de têmpera após o processo de endurecimento no segmento obtido na etapa (e) a uma temperatura de 245°C-255°C para reduzir a fragilidade e o excesso de dureza; g) implementar um processo de esmerilhamento após o processo de têmpera no segmento resultante obtido na etapa (e) para adquirir a superfície acabada do segmento; h) implementar um processo de lapidação e um processo de polimento sucessivamente no segmento obtido na etapa (g) para obter um ótimo grau de acabamento e planicidade da superfície para obter uma superfície espelhada do segmento.

2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, como reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na etapa (c) o processo de forjamento a quente é realizado em prensa de parafuso de fricção.

3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de forjamento a quente na etapa (c) é realizado usando um forjamento de matriz aberta ou forjamento de matriz fechada.

4. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um processo de aparar e um processo de esmerilhar são sucessivamente realizados no segmento obtido na etapa (c) se o forjamento de matriz aberta é usado como um processo de forjamento.

5. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de esmerilhar na etapa (g) é realizado em esmerilhadora de bancada, esmerilhadora rotativa vertical ou esmerilhadora de superfície horizontal.

6. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de endurecimento na etapa (e) é endurecimento por indução.

7. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de lapidação e o processo de polimento na etapa (h) são realizados sucessivamente na máquina de lapidação e na politriz, respectivamente.

8.PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE SEGMENTOS PARA ROLAMENTO DE IMPULSO DE CARBONO, conforme reivindicado na reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o processo de aparar é realizado em prensa.