Rosa L. Simencio OteroLauralice de C. F. Canale

MEIOS DE RESFRIAMENTO

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OS MEIOS DE RESFRIAMENTO NA TÊMPERA

• Histórico

• Objetivos do resfriamento

• Meios

• Mecanismos de resfriamento

• Problemas relacionados a não uniformidade

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HISTÓRICO

Mackenzie; D. S. (2006) The history of Quenching. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/SEPTEMBER , 39-40

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HISTÓRICO

Mackenzie; D. S. (2006) The history of Quenching. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/SEPTEMBER , 39-40

3

HISTÓRICO

• Mitos: escravos

• Verdades:

• Aço de Damasco (desde 330AC)

• Espadas e facas feitas em Toledo (século IX)

• Outros meios de resfriamento

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HISTÓRICO• CHINA

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HISTÓRICO• JAPÃO

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

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A têmpera e os meios de resfriamento

Processo de têmpera envolve dois processosdiferentes, 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 seurespectivo diagrama CCT

.

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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 banho9

Principais objetivos do meio de resfriamento

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• Produzir as

transformações

metalúrgicas

desejadas;

• Evitar a formação de

trincas;

• Minimizar distorções

devido a não-

uniformidade 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:

• 1o 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

• 2o Estágio: A película de vapor vai desaparecendo e dando lugar à formação e desprendimento de bolhas

• 3o 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

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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.

Estágios de Resfriamento

11

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 15o C a 25oC, pois acima dessa temperatura há o favorecimento de formação de estruturas mais moles pelo prolongamento do 10

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

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 95o C

• Temperaturas mais altas causam envelhecimento

• Temperaturas mais baixas causam distorção na peça pelo efeito de tempera mais rápido e perigo de fogo pela alta viscosidade

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

Têmpera em ar

G. Belinato, L. C.F. Canale ,G. E. Totten. Gas quenching. In: Quenching Theory & Technology, 2nd

Edition. Editors: Tensi, Canale and Totten.

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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

Tipos de meios de resfriamento

Seleção do meio:

Distorções

XTaxa de transferência de calor

A técnica que gera mínimas distorções não geraaltas taxas de transferência de calor e vice-versa

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Estágios de Resfriamento

11

Mecanismos de Resfriamento

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Problemas relacionados a nãouniformidade

• 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.

Distorções e trincas

Tensões residuais

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Problemas relacionados a nãouniformidade

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.

.

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)

•Distorção de chapas de alumínio

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Processos e meios nãoconvencionais

Óleos vegetais

– Resistência à oxidação

– Influência da oxidação no mecanismo de resfriamento

– Formulação com aditivos anti-oxidantes e anti-corrosivos

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.

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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

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.

28

Processos e meios nãoconvencionais

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.

29

Processos e meios nãoconvencionais

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.

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REFERÊNCIAS

• Fernandes, P. (2008). Nanoquenchants for Industrial HeatTreatment. JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING AND PERFOMANCE, 17 (1): 101-103.

• Jagannath, V.; Prabhu, N.K.(2009). Severity of Quenching andKinetics 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 ThermalConductivity. (2009). CURRENT NANOSCIENCE, 5 103-122.

• Lofti, H.; Shafu, M.B.(2009). Boiling heat Transfer on a HighTemperature Silver Sphere in Nanofluids. INTERNATIONAL JOURNAL SCIENCE OF THERMAL SCIENCES, 48, 2215-2220

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