Existem vários métodos para avaliar a capacidade de resfriamento de um meio de têmpera, incluindo o método de intensidade de têmpera, método de fio quente, método de curva U de dureza, método de teste magnético, entre outros. O método da curva de resfriamento é considerado o melhor método de medição laboratorial e é amplamente utilizado.
No entanto, é importante observar que a curva de resfriamento real de uma peça durante a têmpera pode diferir daquela obtida nos testes. Isso ocorre porque o processo de transferência de calor da peça para o meio durante a têmpera é influenciado não apenas pelo material da peça, mas também pelo seu tamanho e forma.
Por exemplo, testar um óleo de têmpera rápida geral usando uma sonda padrão normalmente mostrará o estágio de filme de vapor, mas quando o mesmo óleo é usado como meio de têmpera para fixadores pequenos, o estágio de filme de vapor pode não ser visível.
Apesar dessas diferenças, testar a curva característica de resfriamento de um meio de resfriamento usando métodos padrão ainda é valioso para comparar e selecionar diferentes meios e monitorar o desempenho do meio ao longo do tempo.
1. Curva característica de resfriamento e três estágios de têmpera
A curva característica de resfriamento é amplamente utilizada atualmente para avaliar as propriedades de resfriamento dos meios de resfriamento de têmpera, determinar o grau de envelhecimento do meio e orientar o processo de tratamento térmico.
Os métodos de teste mais comumente usados são:
Aquecer uma sonda de tamanho e material específicos a mais de 800°C e, em seguida, mergulhá-la no meio de resfriamento de têmpera de uma temperatura específica.
Usando um termopar no centro da sonda para registrar diretamente a mudança de temperatura no centro da sonda ao longo do tempo e derivando a curva para determinar a taxa de resfriamento em diferentes temperaturas.
Com base na curva característica de resfriamento medida, o processo de resfriamento é normalmente dividido em três estágios (consulte a Fig. 1):
Estágio de filme de vapor (quando a peça de trabalho é imersa pela primeira vez no meio, sua temperatura é alta e o meio ao redor da peça de trabalho vaporiza rapidamente para formar um filme de vapor estável que envolve a superfície da peça de trabalho. Neste momento, o resfriamento é lento devido a má condução de calor do filme de vapor);
Estágio de ebulição (à medida que a temperatura da peça diminui, o filme de vapor torna-se instável e sai rapidamente da superfície da peça na forma de pequenas bolhas, retirando calor. Esta etapa possui a taxa de resfriamento mais rápida);
Estágio de convecção (à medida que a temperatura da superfície da peça diminui ainda mais, a ebulição para quando cai abaixo do ponto de ebulição do meio, e o estágio de convecção começa, contando com a transferência de calor por convecção).
Ao sobrepor a curva taxa de temperatura de resfriamento com a curva de temperatura da taxa de aquecimento do processo de aquecimento (como mostrado na Fig. 7), pode-se observar que os três estágios do processo de têmpera estão intimamente relacionados à faixa de temperatura dos três estágios. do processo de aquecimento.
Porém, em comparação com o processo de aquecimento, a temperatura de transição entre as etapas do processo de resfriamento é ligeiramente superior pelos seguintes motivos:
No processo de aquecimento, o aquecimento por indução começa na superfície e depois é transferido para o centro da sonda, fazendo com que a temperatura central medida fique até certo ponto atrás da temperatura da superfície, resultando em uma temperatura de teste mais baixa em comparação com a temperatura real da superfície.
No processo de resfriamento, a temperatura central também fica atrás da temperatura da superfície, resultando em uma temperatura de teste mais alta em comparação com a temperatura real da superfície.
Ao mesmo tempo, de acordo com a equação (4), a densidade do fluxo de calor no processo de resfriamento é proporcional à velocidade média de resfriamento:
Como a taxa de resfriamento do óleo isotérmico quando o filme se rompe é menor do que a do óleo base de baixa viscosidade, pode-se calcular que seu fluxo de calor crítico qcr2 também é maior do que o do óleo base de baixa viscosidade. Isto significa que o filme pode quebrar a temperaturas mais elevadas, o que está de acordo com as observações feitas em aplicações de engenharia.
4. Conclusão
Ao analisar o processo de transferência de calor no processo de têmpera, ficou claro que os estágios de formação do filme de vapor e a transição do filme de vapor para a ebulição nucleada são muito mais complexos do que se pensava anteriormente. O conceito de fluxo de calor crítico, usado na teoria da transferência de calor em ebulição, foi introduzido para explicar o fenômeno do filme de vapor no processo de têmpera.
Experimentos foram conduzidos utilizando aquecimento por indução para observar e registrar os fenômenos de ebulição e filme de vapor durante o aquecimento e resfriamento. Esta abordagem combinada teve como objetivo obter uma compreensão mais profunda do fenômeno comum do filme de vapor nos processos de têmpera, o que poderia fornecer mais orientação para o projeto e desenvolvimento de novos meios de resfriamento de têmpera com menor duração do filme de vapor e velocidade de resfriamento mais rápida.
Discussões teóricas e verificações experimentais mostraram que para reduzir o filme de vapor no processo de têmpera e melhorar a uniformidade da têmpera da peça, os três aspectos a seguir devem ser considerados:
(1) Aumentar o fluxo de calor crítico qcr1 e qcr2 para a formação e ruptura do filme de vapor do próprio meio.
Por exemplo, aumentar a tensão superficial do meio e a diferença de densidade entre as fases gasosa e líquida, tornando o filme de vapor mais difícil de formar e mais fácil de romper.
(2) Um aditivo que pode formar uma película na superfície da peça de trabalho é introduzido para fixar à superfície da peça de trabalho para formar uma camada de isolamento térmico de espessura moderada, de modo a reduzir o coeficiente de transferência de calor da superfície da peça de trabalho , reduzindo assim a densidade do fluxo de calor qin da superfície da peça de trabalho, reduzindo ou mesmo eliminando o filme de vapor.
(3) O eletrólito é introduzido para aumentar o fluxo de calor crítico qcr do meio e, ao mesmo tempo, uma camada elétrica dupla é formada na superfície da peça para reduzir o fluxo de calor qin da superfície da peça, de modo a reduzir ou até mesmo eliminar a película de vapor.
