Fluidos de resfriamento para têmpera de metais

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1 Fluidos de resfriamento para têmpera de metais Lauralice de Campos Franceschini Canale Histórico CONTEÚDO Função do resfriamento Meios Mecanismos de resfriamento 1

2 HISTÓRICO Mackenzie; D. S. (2006) The history of Quenching. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/SEPTEMBER,

3 Mitos Verdades: Aço de Damasco (desde 330AC) Espadas e facas feitas em Toledo (século IX) Outros meios de resfriamento 3

4 Outros meios de resfriamento Aurina humana, assim como ade outros animais, é composto principalmente de água (95%, em média), mas contém também uréia, ácido úrico, SALe outras substâncias. CHINA 4

5 JAPÃO Metalurgicamente avançados. Desde 4 e 5 d.c. já usavam taxasde resfriamentoespecíficas (espessurada argila) para cadaregiãoda arma Têmpera em tanque de água Aresta transforma em martensita Corpoemferritae perlita Funções do resfriamento 5

6 Têmpera do aço 6

7 Têmpera de não ferrosos Tipos de meios de resfriamento 7

8 Seleçãodo meio: Distorções X Taxa de transferência de calor A técnica que gera mínimas distorções não gera altas taxas de transferência de calor e vice-versa A taxa de extração de calor atribuída ao meio de resfriamento é grandemente modificada conforme a maneira com que o meio é usado. Por exemplo: Têmpera direta: maneira mais usada Time quenching: quando há mudança abrupta da velocidade de resfriamento durante o ciclo de resfriamento 8

9 Têmpera seletiva: técnica japonesa Têmpera por spray O poder de resfriamento pode ser descrito de muitas maneiras: Valor H de Grossmann 9

10 valores de H O poder de resfriamento pode ser descrito de muitas maneiras: Valor H de Grossmann Tempo para resfriar de 800 a 500 graus C Curvas de resfriamento representando a variação da temperatura com o tempo com a taxa de resfriamento 10

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12 O poder de resfriamento pode ser descrito de muitas maneiras: Valor H de Grossmann Tempo para resfriar de 800 a 500 graus C Curvas de resfriamento representando a variação da temperatura com o tempo com a taxa de resfriamento Coeficiente de transferência de calor [W/(K.m2)]. O coeficiente de transferência de calor (htc) ou o fluxo de calor, Q, superficial durante a têmpera é uma condição de contorno essencial para a análise numérica do processo de têmpera, (cálculo das tensões residuais e distorções). Métodos para calcular o htc: Análise concentrada (lumped) Método inverso Método do gradiente de temperatura Método de Kobasko 12

13 Método inverso Vantagem: htcé calculado a partir de uma curva de resfriamento medida no interior da peça. Problemas potenciais do método inverso: a instabilidade dos resultados, os quais dependem da discretização e a sensibilidades dos erros da medição de temperatura Figueira, R. L.; Canale, L. C. F.; Sarmiento, G. S.; Totten, G. E. (2005) Simulation of heat transfer properties and thermal residual stresses from quenching studies. Revista Minerva, São Carlos, SP, 2 (2) p Método de Kobasko Este método está baseado no cálculo da taxa de resfriamento (C.R.) de dois pontos da curva de resfriamento registrada correspondendo aos pontos t1 e t2: ln C. R. = ( T T ) ( T T ) 1 M ln t t M T M... temperatura do meio T 1 e T 2... Temperatura do corpo de prova nos instantes t 1 e t 2 [k] 13

14 K... Fator de forma de Kondratjiev [ ]. Para um cilindro: R... Raio do cilindro [m] 2 R K = Bi... Número de Biot[ ]. Parâmetro adimensional que representa a razão entre o coeficiente de transferência de calor convectivo e a condutividade térmica do material. h k... Coeficiente de transferência de calor k... Condutividade térmica [W/mK] hk Bi = k R Do valor da C.R o número de KondratjevK n é calculado: α... Difusividade térmica da peça [m²/s] K K n = C. R. α Há uma correlação entre o número Kondratjev, K n, e o número de Biot (Bi v ): O coeficiente de transferência de calor (h k ) é calculado pelo número de Biot: A... Área superficial do corpo de prova [m²] V... Volume do corpo de prova [m³] K n = 2 ( Bi Bi + 1) 1/ 2 ν Bi ν ν h k = ν Bi k V KA Este método pode ser aplicado a amostras de diferentes tamanhos e formas, contando que seja utilizado o fator de forma de Kondratjev (K) adequado. 14

15 Mecanismos e Meios de Resfriamento Muitos fatores estão envolvidos no mecanismo de resfriamento: Condições internas que afetam a dissipação do calor para a superfície (composição química) Condições superficiais ou outras condições externas que afetam a remoção do calor. (presença de óxidos) 15

16 Potencial de extração de calor do meio de resfriamento nas temperaturas de banho e pressões sendo usadas Mudanças no potencial de extração de calor do fluido causado pela variação da agitação, temperatura e pressão a) Finacamadade óxido: rupturaem pequenos flocos imediatamente após a imersão b) Camada de óxido mais espessa: Alguns flocospermanecemaindanasuperfície. Vapor entre camadadasuperfície e o flocode óxidoinibemo resfriamento. Quandoo óxidoé rompidoa taxade resfriamentoaumenta. (M. Narazaki, Utsunomia University, Utsunomia, Japan). 16

17 Rugosidade aumenta a duração da camada de vapor 17

18 Filme de vapor 18

19 Água Água É usada para aços carbono comuns, aços baixa liga de baixa temperabilidade, em componentes de forma simples com baixa susceptibilidade a trincas. A temperatura do banho devem ser controlados pois esse meio é bastante susceptível a esse parâmetro de processo. 19

20 16 Água Efeito da agitação: Nas temperaturas usadas na prática, o efeito da agitação é insignificante na taxa máxima de resfriamento, entretanto a experiência mostra que quando agitado o banho, existe uma maior uniformidade das durezas obtidas, menores são as distorções e o potencial de trincas é reduzido. 20

21 Efeito da agitação na dureza de espécimes de 12 mm dia após têmpera em água Fluxo água (m/s) Dureza HRC SAE 1144 SAE 5140 SAE W

22 A maior diferença entre a água e outro meios é que a estabilidade da camada de vaporémais forte na água, o que a torna não recomendável para peças de geometria mais complexas de maneira que localmente há taxas de resfriamento mais lentas contribuindo para aumento de trincas e distorções, dureza não uniforme e pontos moles. Natureza corrosiva. Sensível a contaminantes, mesmo que em pequenas quantidades. Gases, sais solúveis e outros contaminantes presentes na composição da água, e que variam de região para região, tornam diferente o desempenho dos banhos. Por esta razão não se deve usar ar comprimido para a agitação de banhos. 22

23 Adição de solutos na água Sais Inorgânicos Salmoura brine A mais amplamente usada contem NaClsozinho ou em adição com outros sais. 23

24 Durante os primeiros instantes da têmpera, a água evapora com contato com a superfície metálica e pequenos cristais são depositados. Com o aumento da temperatura, ocorre a fragmentação destes cristais, gerando turbulência e destruindo a camada de vapor 24

25 Esfera de prata dia 20mm A influência de outros sais e alcalisé similar. 25

26 Vantagens: Dentro da faixa de temperatura do processo, a temperatura do banho tem menos influência na taxa máxima do que a água e assim a operação de têmpera poderá ser conduzida a temperaturas maiores em aços com maior temperabilidade 26

27 Taxa de resfriamento maior que da água Resfriamento mais uniforme, ocasionando menor distorção das peças e maior homogeneidade da dureza. Desvantagens: Controle das soluções Custo mais alto Natureza corrosiva da solução 27

28 Têmpera em NaOHe NaNO 3 Soluções aquosas dessas substâncias são também utilizadas em 5 a 10% de concentração O desempenho é similar ao das soluções de salmoura, porém não apresentam comportamento corrosivo Essas soluções são utilizadas para processos de grande produção enquanto que a salmoura é adequada para aplicações pequenas de têmpera em ferramentas Soluções aquosas de polímeros orgânicos solúveis em água EUA e França desde 1950 s baseado no álcool polivinil + antiespumantes + bactericidas + fungicidas + inibidores de corrosão Outros 1978: PVP, ACR, PAG (mais usado) 28

29 Ampla faixa de severidades f (concentração e agitação) 29

30 A presença do polímero alterará as propriedades de vaporização da água, similar ao acontecido com os sais, mas neste caso tem também o efeito da viscosidade. O mecanismo acontecerá também pela sucessão dos 3 estágios de resfriamento. O primeiro estágio é similar em todos os polímeros e é determinado pelo aumento da viscosidade da solução de polímero relativo a água e pela formação do filme de polímero na superfície de resfriamento que estabiliza a camada de vapor. O resultado é que esta camada se torna prolongada em função do tipo de polímero, concentração, temperatura e agitação. 30

31 PAG Exibe solubilidade inversa (diminui com o aumento da temperatura) 31

32 Essa característica o distingue de outros polímeros. Quando o metal quente é imerso na solução de PAG, o polímero se separa da solução e forma um filme que recobre o metal. Esse filme é usado para controlar a transferência de calor. Quando a temperatura diminui, o polímero volta a se dissolver na solução. 32

33 Como usar as soluções de polímeros Concentrações de 5 a 25% com controle do banho (refratômetro) Manutenção da temperatura entre + 5ºC 12 a 15 L por quilo de carga(trocadores de calor) Bacteria- agitação Outros parâmetros importantes MOLHABILIDADE A molhabilidadede um fluido pode ser definida como a tendência de um líquido se distribuir na superfície de um substrato sólido. 33

34 Quando uma gota colide com uma superfície, ela se espalha sob influência de forças gravitacionais e inerciais. A taxa de molhabilidadeindica a velocidade do liquido se disseminar no substrato e é influenciada por: textura da superfície, temperatura do líquido e do substrato propriedades do líquido. Baixos θ: líquido se espalha, molha o substrato. Altos θ: baixa molhabilidade. 34

35 Existe uma relação entre a molhabilidade de um fluido e a sua capacidade de retirar calor da superfície. Óleos: Viscosidade Molhabilidade Temperatura 35

36 Têmpera em óleo No passado eram usados óleos de origem vegetal e mineral, mas tinham vida curta uma vez que eram propensos a oxidação e decomposição. No final do século XIX pela introdução de óleos derivados de petróleo por preços relativamente baixos, foram sendo usados no tratamento térmico de aços. Forneceram uma ótima combinação de dureza com mínima distorção. 36

37 Os maiores fatores que determinam a força de extração de calor de um óleo mineral são: razão das frações de componentes do óleo base (naftênicos, parafínicos e aromáticos) aditivaçãoque aumentam o desempenho (vegetal/animal) 37

38 Parafínicostem a capacidade de manter desempenho entre 50 e 90 graus C mais estável Naftênicostem viscosidade mais baixa para a msma temperatura Aromáticos tem baixa estabilidade oxidativae baixa viscosidade Aditivos tem principalmente função de quebrar tensão superficial melhorando molhabilidade. Outros aditivos: inibidores de oxidação, detergentes, emulsificadores, antiespumantes Classificação: Óleos convencionais aditivos anti oxidantes Óleos rápidos mistura de óleos minerais com aditivos que fornecem efeitos de têmpera mais rápidos 38

39 A maior parte dos óleos de têmpera apresentam taxas de resfriamento menores que as obtidas em água ou em salmoura, entretanto, nestes meios o calor é removido de modo mais uniforme, diminuindo as distorções dimensionais e a ocorrência de trincas Os óleos são normalmente usados na faixa de temperatura de 40 a 95 o C Classificação quanto à temperatura de uso: Óleos frios Óleos quentes : usados para martêmpera e austêmpera desde 1950 quando apropriados aditivos foram desenvolvidos e adicionados para possibilitar o seu uso em altas temperaturas (ponto de fulgor/oxidação) 39

40 São normalmente mais viscosos a temperatura ambiente mas tem viscosidade abaixada nas temperaturas de uso, 200 ou mesmo 250ºC 40

41 Viscosidade do óleo tem influência no poder de resfriamento e também tem influência econômica no processo: Menor viscosidade tem menor efeito de arraste e menor energia é necessária para agitação e circulação através dos filtros e trocadores de calor 41

42 Efeito da viscosidade e ponto de fulgor na segurança do banho Contaminação: Água, mesmo em pequenas quantidades (menor do que 0.1%) produz efeitos danosos: Pontos moles (formação de filme vapor local) Distorção e trincas resultado de resfriamento não uniforme 42

43 Na prática o óleo de têmpera do processo é sistematicamente completado com óleo novo para compensar as perdas por arraste. Isso faz com que se tenha aumentada a vida do banho 43

44 Contaminação O fator de Grossmann, H, é obtido por: Kobasco, N. I.; Souza, E. C.; Canale, L. C. F.; Totten, G. E. (2010). Vegetable oils quenchants: Calculation and comparison of the cooling properties of a series of vegetable oils. Strojniski Vestnik Journal of Mechanical Engineering, 56 (2), 11p. 44

45 Problemas relacionados a não uniformidade Mecanismos de Resfriamento 45

46 Mecanismos de Resfriamento Mecanismos de Resfriamento 46

47 Frente de remolhamento Não homogeneidade: Fonte de distorção e trincas Distorção de chapas de alumínio Meio de têmpera: água quente a 70 C, agitação média. Meio de têmpera : água a 30 C, agitação média. Meio de têmpera : solução aquosa de polímero 12% a 40 C, agitação média.. 47

48 Problemas relacionados a não uniformidade Distorções e trincas Tensões residuais Expansão Contração Resistência Temperatura Volume da fase transformada Severidade Secção Canale, L.C.F.; Totten, G.E. (2005). Overview of distortion and residual stress due to quenching process part I: factors affecting quench distortion. International Journal of Materials and Product Technology, 24 (1-4) 48p. 48

49 Dureza Invertida Shimizu, N. Tamura, I. (1978). Inverse Quench-hardening of Steel. Transactions ISIJ, 18, 5p. Shimizu, N. Tamura, I. (1978).Effect of the discontinuous change in cooling rate during continuous cooling on perlitic transformation behavior of steel. Transactions ISIJ, 17, 7p. Liscic, B.; Grubisic, V.; Totten, G. E. (1996). Controllable Delayed Quenching. Equipment and Processes. Proceedings of the Second Interl. Conference on Quenching and the Control of Distortion. ASM International. 8p. Liscic, B. (2005). Controllable heat extraction technology-what it is and what it does. International Journal Materials and Product Technology, 24(1-4). 14p. 49

50 Gases Os gases mais comuns incluem: Argônio Nitrogênio Hélio Hidrogênio O desempenho é dependente das propriedades físicas. 50

51 Argônio: embora muito usados por décadas é menos eficiente na extração de calor do que o nitrogênio Nitrogênio: é o mais comum, mais rápido do que o argônio mas não tão eficiente quanto o hélio Hélio: condutividade térmica 6X maior do que o nitrogênio. Menor peso molecular, e com isso menor energia para movimentá-lo.alternativa de uso para melhora na profundidade de endurecimento. $$$$$ Hidrogênio: condutividade térmica 7X maior do que o nitrogênio. 51

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53 Normalmente são usados com alta pressão e como qualquer outro meio de têmpera, suas taxas de transferência de calor dependem dos parâmetros do processo. G. Belinato, L. C.F. Canale,G. E. Totten. Gas quenching. In: Quenching Theory & Technology, 2 nd Edition. Editors: Tensi, Canale and Totten. Mecanismo de resfriamento diferente dos líquidos vaporizáveis 53

54 Sais Fundidos São usualmente escolhidos para têmpera em alta temperatura. Principalmente em operações de austêmpera e martêmpera(150grausca550grausc) Características: Transferem calor rapidamente Isenção da camada de vapor Baixa viscosidade em temperaturas de uso Estáveis e solúveis em água(facilidade de limpeza) Austêmpera 54

55 Mais usados: Nitrito e nitrato de sódio: NaNO2 ($$$) NaNO3 Nitrato de potássio: KNO3 Outros: KOH NaOH NaPO4 Misturas 55

56 Fatores que podem modificar o desempenho em resfriamento: Viscosidade (menor maior poder de resfriamento). É menor quando há maior diferença entre a temperatura de fusão do sal e a temperatura do banho. Temperatura do banho 56

57 Condições de agitação Adição de água, que aumenta a capacidade de resfriamento. Adição de água deve ser feita com cuidado. Inflamabilidadee potencial de explosões Temperaturas de uso relativamente altas Projeto de sistemas e condições de uso sob rigoroso controle 57

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59 Obrigada 59