Fluidos de resfriamento para têmpera de metais - Isoflama · aço. Lauralice de Campos...

Lauralice de Campos Franceschini Canale -USP São Carlos

11/03/2014

1

Fluidos de resfriamento

para têmpera de metais

Lauralice de Campos Franceschini Canale

USP São Carlos

CONTEÚDOHistórico

Função do resfriamento

Meios

Mecanismos de resfriamento


11/03/2014

2

• HISTÓRICO

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


11/03/2014

3

• Mitos

• Verdades:Aço de Damasco (desde 330AC)

Espadas e facas feitas em Toledo(século IX)

Outros meios de resfriamento


11/03/2014

4

•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


11/03/2014

5

• 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


11/03/2014

6

• Têmpera do

aço


11/03/2014

7

Têmpera de não ferrosos

• Tipos de meios de resfriamento


11/03/2014

8

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


11/03/2014

9

• Têmpera seletiva: técnica japonesa

• Têmpera por spray

O poder de resfriamento pode ser descrito de muitas maneiras:

• Valor H de Grossmann


11/03/2014

10

• valores de H



• 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


11/03/2014

11


11/03/2014

12



• 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


11/03/2014

13

• 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]

( ) ( )

12

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:


11/03/2014

14

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]


11/03/2014

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)


11/03/2014

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

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


11/03/2014

17

Rugosidade aumenta a duração da camada de vapor


11/03/2014

18

• Filme de vapor


11/03/2014

19

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.


11/03/2014

20

Água

16

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.


11/03/2014

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 W1

0 55-60 52-56 48-65

0.5 57-60 52-57 60-64

1.0 59-62 58-60 63-66


11/03/2014

22

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.


11/03/2014

23

Adição de solutos na água

• Sais Inorgânicos

Salmoura – brine

A mais amplamente usada contem NaCl sozinho ou em adição com outros sais.


11/03/2014

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


11/03/2014

25

dia 20mmEsfera de prata

• A influência de outros sais e alcalis é similar.


11/03/2014

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


11/03/2014

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


11/03/2014

28

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)


11/03/2014

29

• Ampla faixa de severidades f (concentração e agitação)


11/03/2014

30

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.


11/03/2014

31

• PAG

• Exibe solubilidade inversa (diminui com o aumento da temperatura)


11/03/2014

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.


11/03/2014

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 molhabilidade de um fluido pode ser definida como a tendência de um líquido se distribuir na superfície de um substrato sólido.


11/03/2014

34

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.


11/03/2014

35

Existe uma relação entre a molhabilidade de umfluido e a sua capacidade de retirar calor dasuperfície.Óleos:

Viscosidade Molhabilidade

Temperatura


11/03/2014

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.


11/03/2014

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)

� aditivação que aumentam o desempenho (vegetal/animal)


11/03/2014

38

• 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


11/03/2014

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 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)


11/03/2014

40

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


11/03/2014

41

• 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


11/03/2014

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


11/03/2014

43

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


11/03/2014

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.


11/03/2014

45

Problemas relacionadosa não uniformidade

Mecanismos de Resfriamento


11/03/2014

46




11/03/2014

47

• 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


11/03/2014

48

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


11/03/2014

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.


11/03/2014

50

GasesOs gases mais comuns incluem:

�Argônio�Nitrogênio�Hélio�Hidrogênio

O desempenho é dependente das propriedades físicas.


11/03/2014

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.


11/03/2014

52


11/03/2014

53

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


11/03/2014

54

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


11/03/2014

55

Mais usados: Nitrito e nitrato de sódio: NaNO2 ($$$) NaNO3

Nitrato de potássio: KNO3

Outros: KOH NaOH NaPO4

Misturas


11/03/2014

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


11/03/2014

57

� 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


11/03/2014

58


11/03/2014

59

Obrigada [email protected]

Fluidos de resfriamento para têmpera de metais - Isoflama · aço. Lauralice de Campos...

Documents

Transcript of Fluidos de resfriamento para têmpera de metais - Isoflama · aço. Lauralice de Campos...