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Fluidos de resfriamento
para têmpera de metais
Lauralice de Campos Franceschini Canale
USP São Carlos
CONTEÚDOHistórico
Função do resfriamento
Meios
Mecanismos de resfriamento
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• HISTÓRICO
Mackenzie; D. S. (2006) The history of Quenching. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/SEPTEMBER , 39-40
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• Mitos
• Verdades:Aço de Damasco (desde 330AC)
Espadas e facas feitas em Toledo(século IX)
Outros meios de resfriamento
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•Outros meios de resfriamento
A urina humana, assim como a de outros animais, é composto principalmente de água (95%, em média), mas contém também uréia, ácido úrico, SAL e outras substâncias.
• CHINA
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• JAPÃO
Metalurgicamente avançados. Desde 4 e 5 d.C. já usavamtaxas 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
• Funções do resfriamento
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• Têmpera do
aço
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Têmpera de não ferrosos
• Tipos de meios de resfriamento
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Seleção do meio:
Distorções
X
Taxa de transferência de calor
A técnica que gera mínimas distorções não geraaltas 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
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• Têmpera seletiva: técnica japonesa
• Têmpera por spray
O poder de resfriamento pode ser descrito de muitas maneiras:
• Valor H de Grossmann
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• 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
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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
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• Método inversoVantagem: htc é 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. 165-172.
Método de Kobasko
TM ... temperatura do meio
T1 e T2 ... Temperatura do corpo de prova nos instantes t1 e t2 [k]
( ) ( )
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21 lnln..
tt
TTTTRC MM
−
−−−=
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:
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K ... Fator de forma de Kondratjiev [ ]. Para um cilindro:
783.5
2RK =
Rk
hBi 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.
R ... Raio do cilindro [m]
hk ... Coeficiente de transferência de calor
k ... Condutividade térmica [W/mK]
Do valor da C.R o número de Kondratjev Kn é calculado:
Há uma correlação entre o número Kondratjev, Kn, e o número de Biot (Biv):
O coeficiente de transferência de calor (hk) é calculado
pelo número de Biot:
Este método pode ser aplicado a amostras de diferentes tamanhos e formas, contando que seja utilizado o fator de forma de Kondratjev (K) adequado.
α
KRCK n ..=
( ) 2/12 1437.1 ++=
νν
ν
BiBi
BiK n
KA
VkBihk
⋅⋅= ν
α ... Difusividade térmica da peça [m²/s]
A ... Área superficial do corpo de prova [m²]V ... Volume do corpo de prova [m³]
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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)
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• 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
b) Camada de óxido mais espessa: Algunsflocos permanecem ainda na superfície. Vapor entre camada da superfície e o floco de óxido inibem o resfriamento. Quando o óxido é rompido a taxa de resfriamento aumenta. (M. Narazaki, Utsunomia University, Utsunomia, Japan).
a) Fina camada de óxido: ruptura empequenos flocos imediatamenteapós a imersão
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Rugosidade aumenta a duração da camada de vapor
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• Filme de vapor
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Água
Água
É usada para aços carbono comuns, aços baixa liga de baixatemperabilidade, em componentes de forma simples combaixa susceptibilidade a trincas.
A temperatura do banho devem ser controlados pois essemeio é bastante susceptível a esse parâmetro de processo.
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Água
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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.
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• 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 W1
0 55-60 52-56 48-65
0.5 57-60 52-57 60-64
1.0 59-62 58-60 63-66
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A maior diferença entre a água e outro meios éque a estabilidade da camada de vapor é maisforte na água, o que a torna nãorecomendável para peças de geometria maiscomplexas de maneira que localmente hátaxas de resfriamento mais lentascontribuindo para aumento de trincas edistorções, dureza não uniforme e pontosmoles.
• 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.
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Adição de solutos na água
• Sais Inorgânicos
Salmoura – brine
A mais amplamente usada contem NaCl sozinho ou em adição com outros sais.
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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
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dia 20mmEsfera de prata
• A influência de outros sais e alcalis é similar.
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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
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• 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
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Têmpera em NaOH e NaNO3
• 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)
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• Ampla faixa de severidades f (concentração e agitação)
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A presença do polímero alterará as propriedades devaporização da água, similar ao acontecido com ossais, mas neste caso tem também o efeito daviscosidade.
O mecanismo acontecerá também pela sucessão dos3 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.
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• PAG
• Exibe solubilidade inversa (diminui com o aumento da temperatura)
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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.
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• 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 molhabilidade de um fluido pode ser definida como a tendência de um líquido se distribuir na superfície de um substrato sólido.
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Quando uma gota colide com uma superfície, ela se espalha sob influência de forças gravitacionais e inerciais.
A taxa de molhabilidade indica 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.
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Existe uma relação entre a molhabilidade de umfluido e a sua capacidade de retirar calor dasuperfície.Óleos:
Viscosidade Molhabilidade
Temperatura
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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.
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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)
� aditivação que aumentam o desempenho (vegetal/animal)
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• Parafínicos tem a capacidade de manter
desempenho entre 50 e 90 graus C – mais
estável
• Naftênicos tem viscosidade mais baixa para a msma temperatura
• Aromáticos tem baixa estabilidade oxidativa e baixa viscosidade
Aditivos tem principalmente função de quebrartensão 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
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• 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 95o C
Classificação quanto à temperatura de uso:
�Óleos frios
�Óleos quentes : usados para martêmpera eaustêmpera desde 1950 quando apropriados aditivosforam desenvolvidos e adicionados para possibilitar oseu uso em altas temperaturas (ponto defulgor/oxidação)
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São normalmente mais viscosos a temperatura ambiente mas tem viscosidade abaixada nas temperaturas de uso, 200 ou mesmo 250ºC
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• Viscosidade do óleo tem influência no poderde resfriamento e também tem influênciaeconômica no processo:
Menor viscosidade tem menor efeito de arrastee menor energia é necessária para agitação ecirculação através dos filtros e trocadores decalor
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• 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
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Na prática o óleo de têmpera do processo ésistematicamente completado com óleo novo paracompensar as perdas por arraste. Isso faz com que setenha aumentada a vida do banho
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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.
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Problemas relacionadosa não uniformidade
Mecanismos de Resfriamento
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Mecanismos de Resfriamento
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• Frente de remolhamento
• Não homogeneidade:
Fonte de distorção e trincas
Meio de têmpera : água
a 30°C, agitação média.
Meio de têmpera: água
quente a 70°C, agitação
média.Meio de têmpera : solução
aquosa de polímero 12% a
40°C, agitação média.
.
•Distorção de chapas de alumínio
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Problemas relacionados a não uniformidade
• Expansão – Contração
• Resistência – Temperatura
• Volume da fase transformada
• Severidade – SecçãoCanale, 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.
Distorções e trincas
Tensões residuais
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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.
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GasesOs gases mais comuns incluem:
�Argônio�Nitrogênio�Hélio�Hidrogênio
O desempenho é dependente das propriedades físicas.
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�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. $$$$$
�Hidrogênio: condutividade térmica 7X maior do que o nitrogênio.
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G. Belinato, L. C.F. Canale ,G. E. Totten. Gas quenching. In: Quenching Theory & Technology, 2nd Edition. Editors:
Tensi, Canale and Totten.
Normalmente são usados com alta pressão e como qualquer outro meio de têmpera, suas taxas de transferência de calor dependem dos parâmetros do processo.
Mecanismo de resfriamento diferente dos líquidos vaporizáveis
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Sais FundidosSão usualmente escolhidos para têmpera em altatemperatura. Principalmente em operações de austêmpera emartêmpera (150 graus C a 550 graus C)Características:Transferem calor rapidamenteIsenção da camada de vaporBaixa viscosidade em temperaturas de usoEstáveis e solúveis em água (facilidade de limpeza)
Austêmpera
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Mais usados: Nitrito e nitrato de sódio: NaNO2 ($$$) NaNO3
Nitrato de potássio: KNO3
Outros: KOH NaOH NaPO4
Misturas
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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
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� Condições de agitação
�Adição de água, que aumenta a capacidade de resfriamento. Adição de água deve ser feita com cuidado.
Inflamabilidade e potencial de explosões
Temperaturas de uso relativamente altas
Projeto de sistemas e condições de uso sob rigoroso controle
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