Trabalho com grafite há 60 anos e há uma conversa que tenho com mais frequência do que quase todas as outras. Um cliente liga porque uma peça que deveria durar meses saiu do forno mais fina, com corrosão localizada e enfraquecida. A classe estava correta. A usinagem estava correta. As tolerâncias estavam exatas. Mesmo assim, a peça falhou antes do previsto.
Na maioria das vezes, a causa é a oxidação.
Um exemplo frequente é o eixo de uma bomba de metal fundido. Esses eixos ficam expostos a temperaturas elevadas do metal e ao oxigênio na interface entre o metal e o ar. Sem proteção, o eixo pode sofrer deterioração significativa, romper-se e interromper o funcionamento da bomba. Uma opção de baixo custo é o tratamento LoOx™. Estudos mostram melhorias significativas no prolongamento da vida útil do eixo e na continuidade de operação da bomba.
Neste artigo, apresento o que gostaria que todo engenheiro e supervisor de fundição soubesse sobre a oxidação do grafite: por que acontece, quais temperaturas são excessivas, o que ela realmente causa em uma peça e quais opções existem, incluindo o tratamento que desenvolvemos na Ei6, chamado LoOx™.
O grafite é resistente. O oxigênio é sua principal fraqueza.
Há um motivo para o grafite ser usado em tantos processos corrosivos e de alta temperatura. Ele suporta o calor excepcionalmente bem e chega a ganhar resistência à medida que a temperatura aumenta em uma atmosfera inerte. Resiste a choques térmicos, conduz bem calor e eletricidade, suporta a maioria das substâncias químicas e não é molhado por muitos metais fundidos.
Entretanto, o grafite é um material à base de carbono, e o carbono reage com o oxigênio. Em altas temperaturas, na presença de ar, o carbono da peça se combina com o oxigênio e forma monóxido e dióxido de carbono gasosos. Em termos simples, o grafite se transforma lentamente em gás e se dispersa.
A que temperatura o grafite oxida?
No ar, a oxidação perceptível começa por volta de 400 °C (aproximadamente 750 °F), e sua velocidade aumenta significativamente a partir desse ponto. Se sua operação ocorre próxima ou acima de 600 °C, com exposição ao ar, uma peça sem proteção pode perder material rapidamente.
O ponto exato de início pode variar entre peças. Ele depende de:
- Classe e densidade. Materiais mais densos e de grãos finos oferecem menos superfície para o ataque do oxigênio.
- Pureza. Certas impurezas, como Fe, Cu, V e Ti, atuam como catalisadores e aceleram a oxidação.
- Porosidade. Quanto maior a quantidade de poros abertos, maior a superfície interna exposta ao oxigênio.
- Fluxo de ar e umidade. O ar em movimento fornece continuamente mais oxigênio, e o vapor de água intensifica o ataque em temperaturas elevadas.
- Ciclo de operação. Uma peça que permanece aquecida durante horas se comporta de modo diferente de outra que entra e sai repetidamente da zona quente.
O que a oxidação realmente causa em uma peça
Esse é o aspecto que muitas pessoas subestimam. A oxidação não é apenas um problema de superfície.
O oxigênio penetra nos poros do grafite e tende a atacar primeiro o ligante de carbono entre os grãos. À medida que esse ligante se deteriora, os grãos podem se soltar e se desprender. A peça perde massa, fica mais porosa e essa porosidade adicional permite a entrada de ainda mais oxigênio.
Os efeitos observados durante a operação dependem da peça:
- Eixos e rotores perdem resistência e seção transversal, podendo apresentar trincas ou romper-se em serviço.
- Elementos de aquecimento sofrem alterações na resistência elétrica e podem desenvolver pontos quentes.
- As paredes dos cadinhos ficam mais finas, perdem a superfície lisa e podem apresentar vazamentos.
- Componentes usinados perdem as tolerâncias e o acabamento superficial pelos quais você pagou.
As formas mais comuns de combater a oxidação e suas limitações
- Manter o oxigênio afastado. Operar a vácuo ou utilizar purga com gás inerte é a proteção mais eficaz. O problema é que muitos processos simplesmente não podem ser isolados do ar. A desgaseificação de alumínio fundido, o tratamento com fluxantes, os cadinhos abertos e quaisquer peças que entram e saem da zona quente ficam expostos ao ar.
- Escolher uma classe melhor. Uma classe mais densa e pura reduz a velocidade de oxidação, mas não a interrompe.
- Revestir ou cobrir a superfície. Um revestimento ou cobertura superficial pode formar uma boa barreira até apresentar trincas, lascar ou sofrer desgaste. Assim que o oxigênio consegue penetrar, o grafite abaixo fica desprotegido e exposto à oxidação.
- Tratar todo o corpo da peça. Foi para preencher essa lacuna que o LoOx™ foi desenvolvido.
O que é LoOx™ e como funciona
O LoOx™ é o tratamento proprietário da Ei6 para aumentar a resistência do grafite à oxidação. Em vez de revestir apenas a superfície externa, impregnamos todo o corpo da peça com um fluido de formulação especial e depois realizamos a cura.
Isso oferece proteção de duas formas:
- No interior da peça. O tratamento penetra na estrutura dos poros em todo o corpo, onde a oxidação pode causar danos pouco visíveis. Se a superfície externa sofrer desgaste, o material tratado com LoOx™ abaixo dela permanece protegido.
- Na superfície. Nas peças cujo projeto permite, a camada superficial curada permanece como uma barreira física adicional contra a exposição ao oxigênio.
Podemos aplicar LoOx™ à matéria-prima antes da usinagem ou à peça usinada acabada. De qualquer forma, o tratamento é integrado ao roteiro de produção, com mascaramento dos detalhes críticos quando necessário, para que a peça final atenda às especificações. O LoOx™ está disponível em nossas instalações nos Estados Unidos e no Brasil.
Onde o LoOx™ faz a diferença
Algumas aplicações em que observamos os maiores benefícios do LoOx™ em vida útil e custo das peças incluem:
- Eixos de bombas de metal fundido e cabeçotes de rotores, incluindo aplicações de desgaseificação de alumínio
- Tubos para tratamento com fluxantes
- Elementos de aquecimento
- Cadinhos
- Eletrodos para eletroerosão (EDM)
- Peças de carbono mecânico, como buchas, anéis de vedação e palhetas
- Componentes de isolamento de grafite
- Dispositivos de fixação e anteparos expostos ao ar
Como o LoOx™ se tornou um tratamento padrão
O LoOx™ não começou como uma ideia de produto. Surgiu da observação do que acontecia com as peças nas operações dos nossos clientes. Durante vários anos, a Ei6 mediu a oxidação e a vida útil das peças nessas aplicações. As peças tratadas apresentaram consistentemente menor oxidação e maior vida útil. Quando os resultados se mostraram consistentes, transformamos o LoOx™ em um tratamento padrão oferecido a todos os clientes.
Nossa experiência com peças tratadas com LoOx™ da Ei6, incluindo eixos de bombas de metal fundido, tubos para fluxantes e cadinhos para metais preciosos, tem mostrado aumentos consistentes de 50% a 100% nos ciclos de vida útil. Os eixos de bombas apresentaram a melhora mais expressiva, praticamente dobrando a duração. Em todos esses casos, a vida útil prolongada resultou em maior continuidade do processo e redução de custos operacionais. Essas vantagens merecem atenção.
O LoOx™ é adequado para sua peça?
O LoOx™ não faz milagres e não substitui boas práticas. O ajuste, a vedação e a instalação corretos continuam importantes. Os resultados operacionais dependem da temperatura de uso, da atmosfera, do ciclo de operação e do projeto da peça.
Quando a Ei6 conversa com um cliente para avaliar se o LoOx™ faz sentido, estas são as primeiras perguntas:
- A que temperatura a peça opera e qual é a duração do ciclo?
- Ela fica exposta ao ar durante todo o ciclo ou apenas em parte dele?
- Como a peça falha atualmente: desgaste superficial, ruptura ou perda de desempenho?
- Qual é o custo real de uma falha quando se somam as paradas e a mão de obra ao preço da peça?
Se a oxidação está reduzindo a vida útil das peças na sua operação, entre em contato com a Ei6 para conversar sobre a adequação do LoOx™ à sua aplicação.
Perguntas frequentes
O grafite oxida?
A que temperatura o grafite começa a oxidar?
No ar, a oxidação perceptível geralmente começa por volta de 400 °C (aproximadamente 750 °F) e se acelera conforme a temperatura aumenta. O ponto exato depende da classe, da pureza, da porosidade, do fluxo de ar e da umidade.
