1 MEIOS DE RESFRIAMENTO Rosa L. Simencio Otero Lauralice de C. F. Canale
OS MEIOS DE RESFRIAMENTO NA 2 TÊMPERA Histórico Objetivos do resfriamento Meios Mecanismos de resfriamento Problemas relacionados a não uniformidade
3 HISTÓRICO Mackenzie; D. S. (2006) The history of Quenching. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/SEPTEMBER, 39-40
3 HISTÓRICO Mackenzie; D. S. (2006) The history of Quenching. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/SEPTEMBER, 39-40
4 HISTÓRICO Mitos: escravos Verdades: Aço de Damasco (desde 330AC) Espadas e facas feitas em Toledo (século IX) Outros meios de resfriamento
5 CHINA HISTÓRICO
5 JAPÃO HISTÓRICO Metalurgicamente avançados. Desde 4 e 5 DC já usavam taxas de resfriamento específicas (espessura da argila) para cada região da arma Têmpera em tanque de água Aresta transforma em martensita Corpo em ferrita e perlita
A têmpera e os meios de 6 resfriamento Processo de têmpera envolve dois processos diferentes, com mútua interação entre eles: DINÂMICA DA TAXA DE EXTRAÇÃO DE CALOR Constante mudança do fluxo de calor dentro da peça e da transferência de calor na superfície CINÉTICA DA TRANSFORMAÇÃO DE ESTRUTURAS Mostrada para cada composição de aço pelo seu respectivo diagrama CCT.
Têmpera do Aço Aquecimento do aço até temperatura de austenitização Resfriamento rápido para formação da estrutura martensítica Resistência Dureza Tenacidade Dependem da transferência de calor na interface do metal quente Tipo do fluido de resfriamento e das condições do banho 9
Principais objetivos do meio de resfriamento 7 Produzir as transformações metalúrgicas desejadas; Evitar a formação de trincas; Minimizar distorções devido a nãouniformidade da transferência de calor.
Meios de Têmpera mais empregados Os meios de têmpera mais utilizados são Água Salmoura Óleo Ar Solução de polímeros Soda cáustica Canale, L. C. F.; Crnkovic, O. R.; Canale, A.C.; Groessles, J. B. (1996). Características de resfriamento de soluções de polímeros para têmpera. M&M Metalurgia e Materiais, 52 (455), 4p. Canale, L. C. F.; Ruggieri, J. E.; Crnkovic, O. R.; Totten, G. E. (2002). Quenching oils: classification of quench severity. Heat Treatment of Metals, China, 27(2), 4p. Canale, L. C. F.; Totten, G. E. (2005). Quenching technology: a selected overview of the current state-of-art. Materials Research, 8 (4), 5p.
Estágios de Resfriamento A têmpera em um meio líquido pode ocorrer em três estágios: 1 o Estágio: quando o aço é introduzido forma-se uma camada de vapor que rodeia o metal e o resfriamento se faz por condução e radiação através da camada gasosa 2 o Estágio: A película de vapor vai desaparecendo e dando lugar à formação e desprendimento de bolhas 3 o Estágio:resfriamento se dá por condução e convecção.durante este estágio ocorre a transformação martensítica
Estágios de Resfriamento 1. Resfriamento lento 2. Resfriamento rápido 3. Taxas lentas de resfriamento Totten, G.E., Totten, G.E., Bates, C.E., Clinton, N.A. Chapter 4 Quenching Oils, Handbook of Quenchants and Quenching Technology, ASM International, Materials Park, OH, USA, p. 129 159, 1993. 13
11 Estágios de Resfriamento Devido a não-uniformidade durante o processo de resfriament, diferentes coeficientes de calor são observados e estes estágios ocorrem simultaneamente.
Têmpera em água A água atinge a máxima taxa de resfriamento e é usada quando não resulta em excessiva distorção ou trinca da peça Utilizada para o resfriamento de metais não ferrosos, anos inoxidáveis austeníticos Os valores mais elevados de dureza são obtidos com temperatura de 15 o C a 25 o C, pois acima dessa temperatura há o favorecimento de formação de estruturas mais moles pelo prolongamento do 1 0 estágio
Têmpera em água
Têmpera em salmoura O termo salmoura refere-se á solução aquosa contendo diferentes quantidades de cloreto de sódio (NaCl) ou cloreto de cálcio (CaCl). As concentrações de NaCl variam entre 2 á 25%, entretanto, utiliza-se como referência a solução contendo 10% de NaCl. As taxas de resfriamento da salmoura são superiores às obtidas em água pura para a mesma agitação. A justificativa é que, durante os primeiros instantes da têmpera, a água evapora com contato com a superfície metálica e pequenos cristais de NaCl depositam-se nesta. Com o aumento da temperatura, ocorre a fragmentação destes cristais, gerando turbulência e destruindo a camada de vapor
Têmpera em salmoura
Têmpera em salmoura Principais vantagens: Taxa de resfriamento maior que da água Temperatura de têmpera menos crítica Resfriamento mais uniforme, ocasionando menor distorção das peças Desvantagens: Controle das soluções Custo mais alto Natureza corrosiva da solução
Têmpera em óleo Os óleos de têmpera podem ser divididos em vários grupos baseado na composição,efeito de resfriamento e temperatura Óleos convencionais sem adição de aditivos Óleos rápidos mistura de óleos minerais, contém aditivos que fornecem efeitos de têmpera mais rápidos Óleos de martêmpera altos efeitos de têmpera devido à aditivos aceleradores de velocidade Óleos solúveis normalmente utilizados como fluidos refrigerantes, mas em concentrações de 3 a 15 % são utilizados em têmpera com efeitos similares à água
Têmpera em óleo
Temperaturas mais baixas causam distorção na peça pelo efeito de tempera mais rápido e perigo de fogo pela alta viscosidade Têmpera em óleo - Considerações 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 Temperaturas mais altas causam envelhecimento
Têmpera em óleo - Considerações
Têmpera em ar Como a água, o ar é um meio de tempera antigo, comum e barato. A aplicação do ar forçado como meio de têmpera é mais comum em aços de alta temperabilidade como aços-liga e aços-ferramenta. Aços carbono não apresentam temperabilidade suficiente e, conseqüentemente, os valores de dureza após a têmpera ao ar são inferiores aos obtidos em óleo, água ou salmoura. Como qualquer outro meio de têmpera, suas taxas de transferência de calor dependem da vazão.
Têmpera em ar
9 Têmpera em ar G. Belinato, L. C.F. Canale,G. E. Totten. Gas quenching. In: Quenching Theory & Technology, 2 nd Edition. Editors: Tensi, Canale and Totten.
Têmpera em solução de polímeros Essas soluções são utilizadas como meio intermediário entre água e óleo Isto porque a água se torna inadequada algumas vezes devido à formação de trincas enquanto que o óleo possui capacidade de extração de calor relativamente baixa Com a seleção de um polímero básico, através do controle de sua concentração e do procedimento de têmpera é possível cobrir toda uma faixa intermediária entre óleo e água com tão pequenos incrementos quanto se queira
Têmpera em soda cáustica Soluções aquosas de soda cáustica são também utilizadas em 5 a 10% de concentração O desempenho é similar ao das soluções de salmoura, porém não apresenta comportamento corrosivo Essas soluções são utilizadas para processos de grande produção enquanto que a salmoura é adequada para aplicações pequenas de têmpera em ferramentas
8 Tipos de meios de resfriamento Seleção do 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
Estágios de Resfriamento 11
Mecanismos de Resfriamento 12
Problemas relacionados a não 15 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.
Problemas relacionados a não 14 Meio de têmpera: água quente a 70 C, agitação média. Meio de têmpera : água a 30 C, agitação média.. uniformidade Distorção de chapas de alumínio Meio de têmpera : solução aquosa de polímero 12% a 40 C, agitação média. Kavalco, P.; Canale, L. C. F. (2008). Estudos de distorção, dureza e corrosão intergranular de ligas de alumínio aeronáuticas. Relatório de iniciação científica da FAPESP. 52p.Trabalho apresentado no IV TTT (temas em tratamentos térmicos)
Processos e meios não 26 convencionais Óleos vegetais Resistência à oxidação Influência da oxidação no mecanismo de resfriamento Formulação com aditivos anti-oxidantes e anticorrosivos Canale, L. C. F.; Fernandes, M. R.; Agustinho, S. C. M.; Totten, G. E.; Farah, A. F. (2005). Oxidation of vegetable oils and its impact on quenching performance. International Journal of Materials and Product Technology, 24 (1-4) 24p. Komatsu D.; Souza E. C.; Souza, E. C.; Canale, L. C. F.; Totten, G. E. Effect of Antioxidants and Corrosion Inhibitor Additives on the Quenching Performance of Soybean Oil. Strojniski Vestnik Journal of Mechanical Engineering, 56 (2), 9p.
Souza, E. C; Fernandes, M. R.; Agostinho, S. C. M.; Canale, L. C. F.; Totten, G. E. (2009). Comparison of structure and quenching performance of vegetable oils. Journal of ASTM International, 6 (9) 24p. 27
28 O fator de Grossmann, H, é obtido por: Onde h é o coeficiente de transferência de calor e k a condutividade térmica do material 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.
Belinato, G.;Canale, L. C. F.; Totten, G. E.; Fontes, S. R. (2010). Ação de antioxidantes em óleos de têmpera a base de soja e dendê. Trabalho a ser apresentado no 18th IFHTSE, Rio de Janeiro, 25 a 30 de julho. Processos e meios não 29 convencionais
Belinato, G.;Canale, L. C. F.; Totten, G. E.; Fontes, S. R. (2010). Ação de antioxidantes em óleos de têmpera a base de soja e dendê. Trabalho a ser apresentado no 18th IFHTSE, Rio de Janeiro, 25 a 30 de julho. Processos e meios não 30 convencionais
46 REFERÊNCIAS Fernandes, P. (2008). Nanoquenchants for Industrial Heat Treatment. JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING AND PERFOMANCE, 17 (1): 101-103. Jagannath, V.; Prabhu, N.K.(2009). Severity of Quenching and Kinetics of Wetting of Nanofluids and Vegetable Oils. JOURNAL OF ASTM INTERNATIONAL, 6 (3) 9p. Wu, D.; Zhu, H.; Wang, L. Liu, L. (2009). Critical Issues in nanofluids preparation, Characterization and Thermal Conductivity. (2009). CURRENT NANOSCIENCE, 5 103-122. Lofti, H.; Shafu, M.B.(2009). Boiling heat Transfer on a High Temperature Silver Sphere in Nanofluids. INTERNATIONAL JOURNAL SCIENCE OF THERMAL SCIENCES, 48, 2215-2220