Estudo da influência de variações dimensionais e geométricas de parafusos fabricados com aço SAE 10B22 sobre o tratamento térmico em forno contínuo

Abstract

A competitividade na produção de elementos de fixação depende do desempenho de fornos contínuos de tratamento térmico, cujo grau de carregamento influencia diretamente a uniformidade térmica, microestrutura e propriedades mecânicas das peças. Este trabalho teve por fim estudar o tratamento térmico em forno contínuo de fixadores mecânicos e investigar como a geometria influencia a estabilidade do processo variando o i) comprimento de 10 mm e 20 mm (parafusos Delta PT®) e; (ii) perfil de rosca, comparando parafusos Delta PT® (crítico), ALtracs® (intermediário) e Métrico (leve) em seus comprimentos reais de produção — 10 mm, 11 mm e 18 mm, respectivamente. O parafuso Delta PT® serviu de referência entre os ensaios realizados na linha de produção em forno contínuo, com os mesmos parâmetros de tratamento térmico. Os testes foram monitorados frente a temperaturas e tempos de processo, e as amostras tiveram suas propriedades mecânicas avaliadas a partir de ensaios de torque e dureza. As microestruturas foram avaliadas por microscopia óptica. Também foram realizadas análises de capabilidade e controle estatístico por cartas X-MR e índices Cp, Cpk, Pp e Ppk. Espera-se que o aumento de comprimento de 10 mm para 20 mm introduza gradiente térmico crescente entre superfície e núcleo, resultando em maior dispersão de torque de ruptura e redução dos índices de capabilidade. Os resultados mostraram que a taxa de 500 kg/h é operacional e robusta para o portfólio de fixadores de 4 mm estudado, com todos os grupos apresentando índices Ppk superiores a 3,3, bem acima do mínimo de 1,67 exigido pela CQI-09, validando o forno FEY (605) a 71% de sua capacidade nominal com ganho de 100% de produtividade em relação à condição anterior de 250 kg/h. O aumento do comprimento de 10 mm para 20 mm não comprometeu a uniformidade microestrutural nem as propriedades mecânicas, resultado explicado pelos comprimentos característicos (LC) semelhantes entre as duas geometrias e refletido em torques de ruptura equivalentes (4,80 N·m e 4,78 N·m); o parafuso de 10 mm apresentou leve descarbonetação parcial e traços residuais de bainita/ferrita acicular no núcleo, sem comprometer a resistência mecânica global. O perfil de rosca mostrou-se determinante para o torque de ruptura absoluto — ALtracs® 6,30 N·m e Métrico 5,90 N·m contra Delta PT® ≈ 4,80 N·m —, diferença atribuída à maior área transversal resistente desses perfis, mas sem impacto na qualidade metalúrgica do tratamento térmico, já que todos apresentaram martensita revenida predominante e dureza dentro da faixa especificada (320–390 HV). A descarbonetação parcial observada mostrou se um fenômeno sistêmico associado à menor inércia térmica das peças de 10–11 mm, e não uma limitação exclusiva do perfil Delta PT®, permanecendo dentro dos limites da ISO 898-1. Em conjunto, os resultados confirmam a viabilidade técnica e a robustez operacional da taxa de 500 kg/h para o tratamento térmico de parafusos SAE 10B22 classe 10.9, independentemente do comprimento e do perfil de rosca, fornecendo diretrizes técnicas para a otimização da produtividade conforme os requisitos da CQI-09, ISO 898-1 e IATF 16949:2016.

Competitiveness in the production of fasteners depends on the performance of continuous heat treatment furnaces, whose loading rate directly influences the thermal uniformity, microstructure, and mechanical properties of the parts. This undergraduate thesis aims to study the heat treatment of mechanical fasteners in a continuous furnace and to investigate how geometry affects process robustness at 500 kg/h through two interdependent tests: (i) the effect of length, evaluating Delta PT® bolts at 10 mm and 20 mm; and (ii) the effect of thread profile, comparing Delta PT® (critical), ALtracs® (intermediate), and Metric (light) at their actual production lengths — 10 mm, 11 mm, and 18 mm, respectively —, with the Delta PT® results serving simultaneously as a reference between both tests and as a paired comparison baseline with the other profiles at the closest available lengths. The Delta PT® bolt served as a reference between the tests performed on the continuous furnace production line, under the same heat treatment parameters. The methodology includes thermal records, breaking torque testing, microhardness measurements at the core, valley, and flank, and metallography with 3.5% Nital etching, in addition to capability analysis and statistical process control through X-MR control charts and Cp, Cpk, Pp, and Ppk indices. The results showed that the 500 kg/h loading rate is operationally robust for the 4 mm fastener portfolio studied, with all groups achieving Ppk indices above 3.3, well beyond the 1.67 minimum required by CQI-09, validating the FEY (605) continuous furnace at 71% of its nominal capacity while delivering a 100% productivity gain over the previous 250 kg/h condition. Increasing the length from 10 mm to 20 mm did not compromise microstructural uniformity or mechanical properties, a result explained by the similar characteristic lengths (LC) of both geometries and reflected in equivalent breaking torque values (4.80 N·m and 4.78 N·m); the 10 mm bolt showed slight partial decarburization and residual traces of bainite/acicular ferrite in the core, without compromising overall mechanical strength. Thread profile proved determinant for absolute breaking torque — ALtracs® 6.30 N·m and Metric 5.90 N·m versus Delta PT® ≈ 4.80 N·m —, a difference attributed to the larger resistant cross-sectional area of these profiles, but with no impact on the metallurgical quality of the heat treatment, since all profiles showed predominantly tempered martensite and hardness within the specified range (320–390 HV). The partial decarburization observed proved to be a systemic phenomenon associated with the lower thermal inertia of the 10–11 mm parts, rather than a limitation exclusive to the Delta PT® profile, remaining within the limits set by ISO 898-1. Taken together, the results confirm the technical feasibility and operational robustness of the 500 kg/h loading rate for the heat treatment of SAE 10B22 class 10.9 bolts, regardless of length and thread profile, providing technical guidelines for productivity optimization in accordance with the requirements of CQI-09, ISO 898-1, and IATF 16949:2016.