Fluidos de resfriamento para têmpera de metais

Lauralice de Campos Franceschini Canale -
USP São Carlos
11/03/2014
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Fluidos de resfriamento
para têmpera de metais
Lauralice de Campos Franceschini Canale
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CONTEÚDO
Histórico
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 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
• 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 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

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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
muitas maneiras:
• 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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muitas maneiras:
• 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 inverso
Vantagem: 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
TTTT
RC 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
2
R
K =
R
k
h
Bi 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
K
RCK n ..=
( ) 2/12
1437.1 ++
=
νν
ν
BiBi
Bi
K n
KA
VkBi
hk
⋅⋅
= 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: Alguns
flocos 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 em
pequenos flocos imediatamente
após 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 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.

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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 é
que a estabilidade da camada de vapor é mais
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.

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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 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.

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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 um
fluido e a sua capacidade de retirar calor da
superfície.
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 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

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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 e
austêmpera desde 1950 quando apropriados aditivos
foram desenvolvidos e adicionados para possibilitar o
seu uso em altas temperaturas (ponto de
fulgor/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 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

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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 é
sistematicamente completado com óleo novo para
compensar as perdas por arraste. Isso faz com que se
tenha 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 relacionados
a não uniformidade
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 – 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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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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Gases
Os 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 Fundidos
São usualmente escolhidos para têmpera em alta
temperatura. Principalmente em operações de austêmpera e
martêmpera (150 graus C a 550 graus C)
Características:
Transferem calor rapidamente
Isenção da camada de vapor
Baixa viscosidade em temperaturas de uso
Estáveis 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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Obrigada LFCANALE@SC.USP.BR

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