POLÍMEROS DE TÊMPERA À BASE DE PAG

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1 POLÍMEROS DE TÊMPERA À BASE DE PAG 209 POLÍMEROS DE TÊMPERA À BASE DE PAG Lauralice de Campos Franceschini Canale EESC-USP, São Carlos, SP, Brasil George Edward Totten Portland State University, Portland, OR, USA Antonio Carlos Canale EESC-USP, São Carlos, SP, Brasil Resumo Embora os óleos minerais sejam os meios de resfriamento mais utilizados para as operações de tratamento térmico de têmpera, as soluções de polímeros atualmente têm conquistado mais espaço à medida que as preocupações com o meio ambiente e com os problemas toxicológicos associados à utilização dos óleos minerais se tornam crescentes. Para que a utilização dessas soluções aquosas ocorra de maneira adequada, é necessário o entendimento das influências de parâmetros do processo de tratamento térmico em seu desempenho durante o resfriamento. Assim, o que se pretende é apresentar e discutir o desempenho das soluções de polímeros, em particular dos polímeros à base de PAG, que são os mais amplamente usados para essa aplicação. Palavras-chave: tratamento térmico, meios de resfriamento, óleos minerais, soluções de polímeros. Introdução Tradicionalmente, os óleos minerais têm sido os fluidos mais comuns para a têmpera de aços carbono e aços liga nas plantas de tratamento térmico. Entretanto, com a crescente preocupação com o meio ambiente, descarte, segurança e problemas toxicológicos, tem havido potencial interesse na utilização de fluidos de resfriamento alternativos. Uma das alternativas mais comuns, em substituição aos óleos minerais, tem sido as soluções de polímeros solúveis em água, especialmente aqueles formulados à base de PAG (polialquilene glicol ). Há ainda algumas vantagens adicionais na utilização dessas soluções de PAG, quando comparadas aos óleos minerais: custo, desempenho, limpeza no processo (eliminação de desengraxantes) e flexibilidade. Neste trabalho será apresentado breve resumo dos polímeros como fluidos de resfriamento e a influência de alguns parâmetros de processo. Além disso, serão discutidos alguns procedimentos mais comuns quando se usam soluções de polímeros como meio de resfriamento no tratamento térmico de têmpera. Discussão Polímeros mais comuns Além do custo, há ainda outro incentivo para a utilização de soluções aquosas na indústria. É de conhecimento da indústria os potencias problemas associados ao uso de óleos minerais em tratamento térmico, incluindo potencial risco de incêndio, com perdas humanas, e a necessidade de equipamentos mais onerosos. As soluções de polímeros são isentas desses perigos. Ao longo dos anos, muitos polímeros solúveis em água têm sido avaliados e/ou usados como fluidos de corte (Totten et al., 1993a). Polímeros PAG foram primeiramente patenteados por Blackwood (Blackwood & Cheesman, 1965) e, desde então, muitas formulações foram desenvolvidas e patenteadas (Totten et al., 1993a). Dentre os polímeros mais comuns usados nas nações mais industrializadas do mundo estão as formulações com PAG. A Tabela 1 fornece uma lista ilustrativa dos processos comuns em que as soluções PAG são correntemente usadas. Polímeros PAG são copolímeros de óxido de etileno, (C 2 H 4 O) e óxido de propileno (C 3 H 6 O) e seu desempenho é definido pelo seu peso molecular (tamanho) e a razão (n/m) das repetições das unidades dos monômeros de cada óxido, ilustrados genericamente na Figura 1. Figura 1 HO-(C 2 H 4 O) n (C 3 H 6 O) m -H Estrutura genérica de um copolímero PAG. Desempenho dos polímeros PAG óleos minerais O processo de resfriamento de um típico óleo de têmpera e de um polímero são mostrados na Figura 2 (Tensi et al., 2003).Quando o aço austenitizado é primeiramente imerso no óleo, o metal quente é imediatamente circundado por uma camada de vapor, resultando em resfriamento

2 210 CANALE, TOTTEN & CANALE bastante vagaroso. À medida que a temperatura da superfície decresce para o ponto de ebulição do óleo, um processo de nucleação de bolhas se inicia, elevando as taxas de resfriamento aos valores mais altos de todo o processo. Finalmente, quando a temperatura da superfície é menor do que o ponto de ebulição do óleo, há o resfriamento convectivo e a taxa de resfriamento volta a cair para os valores mais baixos de todo o processo de resfriamento. É importante notar que os três processos ocorrem simultaneamente na superfície, fato que contribui para aumentar os gradientes térmicos e transformacionais, aumentado as distorções e o potencial para trincamento. O processo de resfriamento em solução aquosa de polímero é substancialmente diferente, como mostrado na Figura 2. Quando ocorre a imersão do metal quente na solução, há a formação de um filme fluido contínuo de polímero ao redor da peça, que é separado da superfície do metal por um vapor superaquecido. À medida que o resfriamento acontece, o filme de polímero subitamente colapsa (vapor de água rompe o filme de polímero), resultando em taxas de resfriamento bastante rápidas. É particularmente importante notar que isso ocorre simultaneamente por toda a superfície do metal, resultando em um processo de resfriamento uniforme. Quando a temperatura da superfície cai abaixo do ponto de ebulição da água, acontece o resfriamento convectivo. É especialmente importante notar que, em se tratando de polímeros, o processo de resfriamento leva a uma substancial redução dos gradientes térmicos e de transformação, resultando em menor potencial para o aparecimento de trincas e distorções se comparados ao processo que utiliza óleos minerais. Isso pode ser comprovado na Figura 3, em que os fluidos vaporizáveis provocam diferentes padrões de resfriamento (curvas de resfriamento) ao longo da superfície do componente cilíndrico, enquanto no caso do polímero as curvas de resfriamento praticamente se sobrepõem ao longo da superfície (Tensi et al., 2003). Esta seria uma das razões pelas quais um sistema de resfriamento usando polímeros, desde que propriamente projetado, pode ter desempenho superior ao seu similar usando óleo mineral. Parâmetros do processo de resfriamento Nas discussões anteriores, foi mostrado que os mecanismos de resfriamento de um óleo mineral e de uma solução de polímeros, por exemplo, PAG, são fundamentalmente diferentes. Isso fica mais evidente quando ambos são usados em uma planta de tratamento térmico. Por exemplo, os óleos exibem menor sensibilidade às variações de severidade com relação às variações de temperatura do que os polímeros em geral. Além disso, desde que muitos óleos são usados em condições de não agitação ou de agitação inadequada, parece claro que as soluções de polímeros não podem ser consideradas como substituto direto dos óleos minerais sem apropriadas adaptações ao sistema de resfriamento. Nesta seção, serão discutidos os parâmetros mais comuns do processo de resfriamento que devem ser considerados e controlados para a utilização de polímeros. Tabela 1 Lista ilustrativa das práticas de tratamento térmico mais comuns em que PAG é usado. Têmpera por chama Fornos tipo câmara Fornos contínuos Têmpera direta de forjados Têmpera por indução Cementação Peças de metalurgia do pó Carbonitretação Forno de atm. neutra ou redutora Leito fluidizado a) b) 4,3 s 8,3 s 12,3 s 6 s 6,35 s 7,65 s Figura 2 Comparação do processo de resfriamento de: a) um óleo mineral e b) uma solução aquosa de polímero.

3 POLÍMEROS DE TÊMPERA À BASE DE PAG 211 Temperatura (ºC) B A C Tempo (s) a) termopares localizados no centro Tempo (s) a) termopares localizados na superfície Figura 3 Ilustração dos gradientes de resfriamento tipicamente exibidos por um fluido de resfriamento vaporizável (A) em comparação a um polímero PAG (B) que apresenta resfriamento praticamente uniforme em toda a superfície da peça. Para obter melhor entendimento de como o polímero é usado na prática, novamente a Figura 2 será referida. Notar: l Primeiramente há um filme de polímero circundando a superfície do metal. A espessura e a viscosidade desse filme determinarão a taxa de transferência de calor. Tipicamente, essas taxas diminuem exponencialmente com o aumento da concentração do polímero em solução. A espessura do filme também é determinada por esta concentração. Geralmente, aumentando-se a concentração, diminuir-se-á a severidade da têmpera. Conseqüentemente, um sistema de resfriamento otimizado minimizará a variação da espessura desse filme ao redor do componente durante o resfriamento. l Para que haja homogeneidade no resfriamento, uma agitação uniforme através dos componentes é fundamental. Geralmente, aumentando-se as taxas de agitação, a severidade do resfriamento aumenta, e este efeito é sentido na superfície metálica dos componentes. l Além disso, uma vez que a viscosidade é também criticamente importante, é necessário se assegurar de que a temperatura do fluido seja razoavelmente uniforme através dos componentes da carga durante o resfriamento. Geralmente, aumentando-se a temperatura do banho, diminui-se a severidade do resfriamento. Novamente, isso ilustra a importância de agitação adequada e a necessidade de um trocador de calor conveniente. Deve ser notado também que os polímeros PAG possuem separação reversível da solução se a temperatura exceder o ponto de turvamento do polímero, como ilustrado na Figura 4 (Totten et al., 1993b). Isso é importante porque, se a separação térmica ocorrer no tanque de resfriamento, resultará em resfriamento não uniforme, provocando, nos componentes, o aparecimento de pontos moles, aumento das distorções e trincas, bem como arraste excessivo. Por isso é necessário que a temperatura do banho seja mantida, e que não se exceda o ponto de turvamento do polímero. l Uma vez que a viscosidade e a uniformidade do filme de polímero são importantes para assegurar que os gradientes térmicos sejam mínimos, devem ser evitadas as misturas de diferentes fluidos, bem como o uso de polímeros altamente degradados. Por meio de controle adequado dos parâmetros do banho, fornecidos pelo controle da concentração e temperatura e também da agitação uniforme por meio do tanque, especialmente através dos componentes da carga, é possível obter valores de severidade de Grossman (Valores H), que cobrem uma faixa exibida pelos óleos minerais convencionais (H ~ 0,2) até os valores correspondentes à utilização da água em temperatura ambiente (H > 1). Isso é ilustrado na Figura 5, em que se pode conferir a flexibilidade que a utilização de soluções de polímeros pode trazer ao processo (Totten et al., 1993b).

4 212 CANALE, TOTTEN & CANALE 25ºC 75ºC Solução inicial a 20% (com agitação) Solução imediatamente após separação (com agitação) Figura 4 Separação térmica reversível de uma solução aquosa de polímero PAG. Temperatura do banho (ºF) ,8 0,6 0,8 1,0 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 1,0 1, Concentração da solução (%) Taxas de circulação 50 ft/min 75 ft/min 100 ft/min Figura 5 Gráfico mostrando o impacto da temperatura do banho, concentração do polímero e agitação na severidade do resfriamento. Quais ligas e componentes podem ser temperados com polímeros PAG? Em função da enorme flexibilidade exibida pela ampla faixa de severidades de resfriamento potencialmente atingíveis, ampla variedade de componentes (veja Tabela 2) confeccionados em aços carbono e aços liga (veja Tabela 3) é comumente temperada em soluções de polímeros PAG. Para uma lista mais expressiva de aços liga para os quais as soluções de polímeros podem ser usadas, o leitor deve consultar a AMS Tabela 2 Lista de aços (SAE/AISI) mais comuns usados para a fabricação de componentes que podem ser temperados com polímeros. 103B3x H

5 POLÍMEROS DE TÊMPERA À BASE DE PAG 213 Tabela 3 Lista parcial de típicos componentes produzidos a partir de têmpera usando polímeros. barras pinos roda dentada eixos parafusos bloco de matriz rolamento de esfera rebites anéis forjados eixos comando de válvula eixos chavetados cilindros de alta pressão componentes da suspensão uniões entalhadas molas planas de suspensão juntas forjadas blank de engrenagem eixos de pequeno diâmetro engrenagens tubos placas Além disso, componentes forjados e trabalhados de alumínio (ligas da série 2000, 6000 e 7000) e fundidos de alumínio (ligas da série 300) são usualmente produzidos usando polímeros PAG do tipo I (como definido pela AMS 3025, eles só podem ser produzidos com baixos valores de distorção se este tipo de polímero for usado). Uma ilustração da substancial melhora da distorção usando polímeros PAG em ligas de alumínio é fornecida na Figura 6 (Totten et al., 1993b). Alguns componentes aeronáuticos bastantes críticos são produzidos usando polímeros PAG, como ilustrado na Figura 7 (Totten et al., 1993b). As concentrações adequadas e outros parâmetros para essa aplicação são especificados na AMS 2770 para forjados e trabalhados e na AMS 2771 para fundidos. Água: 85ºF Agitação: 25 pés/min Distorção total: 1,55 Água: 160ºF Agitação: 25 pés/min Distorção total: 1,385 Polímero PAG a 20% Agitação: 25 pés/min Distorção total: 0,12 Figura 6 Ilustração do uso do polímero PAG do tipo I para minimizar a distorção de chapas de alumínio a) b) Figura 7 Componentes aeronáuticos produzidos a partir da utilização de polímeros PAG do tipo I com concentração a 25%. a) Colocação no tanque de maneira inadequada. b) Colocação adequada no tanque gerando escoamento do fluido mais adequado.

6 214 CANALE, TOTTEN & CANALE Conclusões O uso de fluidos de resfriamento à base de polímeros vem crescendo globalmente nas plantas de tratamento térmico, tornando-se viável como substituto para os óleos minerais, uma vez que fornecem substanciais vantagens em relação ao uso, desempenho, flexibilidade de processo, toxicidade, biodegradabilidade e inflamabilidade. O desempenho de polímeros aquosos é dependente da temperatura do banho, agitação e concentração. Portanto, soluções de polímeros não podem substituir diretamente os óleos minerais sem que adaptações sejam feitas no tanque, proporcionando melhores condições de agitação e controle da temperatura do banho. Entretanto, com essas adaptações apropriadas, a substituição poderá ser efetuada com enormes vantagens. Os polímeros como fluidos de têmpera há muito já vêm sendo usados para a produção de componentes de aços de alta e baixa temperabilidade e também em ligas de alumínio. O uso desses fluidos, embora ainda não amplamente aceito, já encontra especificação em muitas normas, como, por exemplo, AMS 2759, AMS 2770 e AMS Em decorrência de suas vantagens associadas ainda ao cumprimento de regulamentações governamentais relacionadas aos problemas de emissão de ar, água e toxicidade, espera-se que a utilização de polímeros como fluidos de resfriamento continue a crescer no futuro. Referências Bibliográficas TOTTEN, G. E.; BATES, C. E.; CLINTON, N. A. Polymer quenchant. Chapter 5. In: Handbook of quenchants and quenching technology. ASM, p BLACKWOOD, R. R.; CHEESMAN, W. D. U. S. Patent 3, 220, TENSI, H. M.; CANALE, L. C. F.; TOTTEN, G. E. The quenching process: an overview of the fundamental physics properties of liquid quenching. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 58., 2003, Rio de Janeiro, RJ p CD ROM. TOTTEN, G. E.; BATES, C. E.; CLINTON, N. A. Quench bath maintenance. Chapter 6. In: Handbook of quenchants and quenching technology. ASM, p TOTTEN, G. E.; WEBSTER, G. M.; BATES, C. E. Quenching. Chapter 20. In: TOTTEN, G. E.; MACKENZIE, D. S. (Eds.). Handbook of aluminum. NY: Marcel Dekker, v. 1, p