A têmpera é a etapa mais crucial no processo de tratamento térmico e determina a qualidade interna e a extensão da distorção nos componentes temperados.
A tecnologia de resfriamento por têmpera tem visto avanços contínuos com o avanço da tecnologia de tratamento térmico. No entanto, apesar deste progresso, o processo de resfriamento permanece complexo e desafiador devido à sua natureza instantânea e às limitações de observação e medição. Como resultado, a extinção do resfriamento permanece um mistério.
Durante muitos anos, a indústria de maquinaria tem sido culpada de “enfatizar o frio e negligenciar o calor”, colocando mais ênfase no processamento a frio e negligenciando a importância do processamento a quente. Entretanto, a indústria de tratamento térmico tende a “enfatizar o calor e negligenciar o frio”, colocando maior ênfase no aquecimento e ignorando o papel crucial do arrefecimento. Este é um fenômeno incomum e problemático.
Com minha vasta experiência em tratamento térmico, gostaria de compartilhar meus insights sobre a compreensão e seleção de meios de resfriamento para têmpera.
1. Propriedades básicas do meio de resfriamento de têmpera
(1) Taxa de resfriamento ideal
O termo “velocidade de resfriamento ideal” refere-se à taxa de resfriamento esperada no nariz da curva C para um material específico e peça que foi temperada. Esta taxa deve ser superior à velocidade crítica de resfriamento, que é a velocidade mínima necessária para garantir que a peça seja submetida à transformação martensítica com sucesso.
Nas demais faixas de temperatura, principalmente durante a transformação da martensita (Ms → Mf), o resfriamento deve ser realizado de forma mais lenta. Isto é frequentemente referido como o princípio de “resfriamento rápido em altas temperaturas e resfriamento lento em baixas temperaturas”.
Cada tipo de aço e peça tem seus próprios requisitos exclusivos para resfriamento “rápido” e “lento”. O conceito de “meio de resfriamento de têmpera ideal” existe teoricamente, conforme ilustrado na Fig.
Deve-se notar que a curva C para diferentes tipos de aço pode variar.
Infelizmente, não é possível encontrar um único “meio de resfriamento de têmpera ideal” que seja adequado para têmpera de todos os tipos de aço e peças de diferentes tamanhos.
Em vez disso, o meio de resfriamento de têmpera apropriado deve ser selecionado com base nas condições específicas, a fim de obter uma peça temperada dura com distorção mínima e boa metalografia.
Fig. 1 curva de meio de resfriamento de têmpera ideal
(2) Boa estabilidade
O meio de resfriamento de têmpera utilizado deve ser estável e não sujeito a decomposição, deterioração ou envelhecimento durante o uso.
Diferentes óleos de têmpera e solventes orgânicos têm vários graus de envelhecimento e é importante ajustá-los, atualizá-los e mantê-los regularmente.
(3) Uniformidade de resfriamento
É crucial resfriar as diferentes partes e superfícies da peça o mais uniformemente possível para evitar a formação de pontos fracos e blocos durante o processo de têmpera.
(4) Não corrosivo
Após a têmpera, deve ser mantido limpo e de fácil limpeza, não devendo corroer a peça de trabalho.
(5) Ecologicamente correto
Durante o processo de têmpera, não serão produzidas quantidades significativas de fumaça, gases tóxicos ou irritantes, e o líquido residual das peças temperadas não resultará em poluição ambiental.
(6) Segurança
O meio de resfriamento utilizado no processo de têmpera não é inflamável nem explosivo, tornando seu uso seguro.
(7) Economia
O meio de resfriamento utilizado na têmpera não deve ser apenas de alta qualidade, mas também ter um preço razoável. No entanto, se for muito caro, pode não ser bem recebido pelas empresas de tratamento térmico.
2. Fatores que afetam o desempenho de resfriamento do meio de resfriamento de têmpera
Existem vários fatores que podem impactar o desempenho de resfriamento do meio de resfriamento de têmpera, que podem ser categorizados em nove tipos.
(1) Temperatura
A capacidade de resfriamento do meio de resfriamento de têmpera muda conforme a temperatura muda. A capacidade de resfriamento da água e dos meios de resfriamento à base de água diminui à medida que a temperatura aumenta, enquanto a dos banhos de óleo e sal aumenta.
À medida que a temperatura aumenta, a fluidez do meio melhora, promovendo a dissipação de calor e aumentando a sua capacidade de refrigeração. Como resultado, é essencial compreender os requisitos específicos de temperatura de resfriamento da peça.
(2) Tensão superficial
A tensão superficial tem impacto direto na velocidade de resfriamento. Normalmente, o meio de resfriamento de têmpera com baixa tensão superficial está em contato próximo com a superfície das peças temperadas, permitindo rápida dissipação de calor e melhor capacidade de resfriamento.
(3) Mexa
Agitar o meio de resfriamento de têmpera pode aumentar seu coeficiente de transferência de calor, quebrar rapidamente o filme de vapor, acelerar a velocidade de resfriamento e garantir que as peças temperadas esfriem uniformemente.
(4) Condutividade térmica
A condutividade térmica, também conhecida como condutividade térmica, é uma propriedade física que representa a capacidade de uma substância de conduzir calor. Quanto maior a condutividade térmica, maior será a capacidade de resfriamento do material.
(5) Capacidade térmica específica
Quanto maior a capacidade de calor específico do meio de resfriamento de têmpera, mais rápida será a velocidade de resfriamento.
(6) Viscosidade
A viscosidade representa a força de atrito entre as moléculas de líquido dentro de um líquido durante seu fluxo. Os meios de resfriamento de têmpera com alta viscosidade apresentam baixa fluidez, dificultando a dissipação de calor por convecção e resultando em baixa capacidade de resfriamento. Por outro lado, meios de resfriamento de têmpera com baixa viscosidade têm um melhor efeito de resfriamento.
(7) Calor de vaporização
O termo “calor de vaporização” refere-se à quantidade de calor necessária para converter uma unidade de massa de líquido em gás a temperatura constante.
A água tem alta estabilidade química e grande capacidade térmica, que é 8 vezes maior que a do aço à temperatura ambiente.
Apesar do seu baixo ponto de ebulição, o calor de vaporização da água diminui à medida que a temperatura aumenta.
À medida que a temperatura aumenta, a capacidade de refrigeração da água diminui significativamente.
No entanto, uma vez que a temperatura da água atinge 80°C, a sua capacidade de resfriamento permanece relativamente estável e mantém uma intensidade de têmpera de aproximadamente 0,72.
(8) Aditivo
A adição de aditivos é utilizada para alterar o desempenho de refrigeração. Se uma pequena quantidade de sal ou álcali for adicionada à água, pode aumentar significativamente sua capacidade de resfriamento.
Quando o álcool polivinílico é adicionado, forma-se uma fina película plástica na superfície das peças temperadas, reduzindo a velocidade de resfriamento devido à sua baixa condutividade térmica.
A adição de óleo e sabão à água cria uma suspensão ou emulsão que melhora a formação de uma película de vapor, aumenta sua estabilidade e diminui a capacidade de resfriamento.
Além disso, oxidantes, abrilhantadores, inibidores de ferrugem e antissépticos são frequentemente adicionados para modificar outras propriedades do meio de resfriamento de têmpera, cada um tendo efeitos variados no desempenho de resfriamento.
No geral, a adição de aditivos muitas vezes serve a múltiplos propósitos.
(9) Meio Ambiente
O impacto do ambiente na capacidade de refrigeração é frequentemente ignorado. O efeito de resfriamento de um meio na mesma temperatura pode variar entre o inverno e o verão, e o efeito de resfriamento pode diferir entre o dia e a noite.
3. Princípios básicos para selecionar o meio de resfriamento de têmpera
Numerosas evidências mostram que muitos incidentes de qualidade do tratamento térmico estão relacionados à escolha do meio de resfriamento de têmpera. A seleção ou operação inadequada do meio pode resultar no desperdício de peças temperadas.
Por esta razão, o uso adequado do meio de resfriamento de têmpera é essencial para garantir a qualidade do produto. Independentemente do meio escolhido, é crucial obter efeitos de têmpera uniformes:
- Obtenha dureza superficial alta e uniforme e profundidade de endurecimento adequada.
- Evite superaquecimento ou extinção excessiva.
- Minimize a distorção de extinção.
O meio de resfriamento de têmpera apropriado deve ser selecionado com base nos requisitos técnicos de tratamento térmico, material, formato e outras condições específicas das peças temperadas. Os seguintes cinco princípios básicos devem ser considerados:
(1) Importância do Teor de Carbono no Aço
O carbono é um elemento crucial em todos os tipos de aço. O teor de carbono tem um impacto significativo nas propriedades e no efeito de têmpera do aço.
Para aço de baixo carbono com teor de carbono inferior a 0,5% (fração de massa), a têmpera pode ser feita com água salgada, água alcalina, solventes orgânicos, etc.
Aços estruturais de média e baixa liga são normalmente temperados duas vezes ou resfriados a uma taxa relativamente lenta usando um meio.
O aço carbono para ferramentas, que requer alto tratamento térmico e tem baixa temperabilidade, geralmente é temperado usando um banho alcalino ou banho de nitrato, e o resfriamento a óleo raramente é usado.
(2) Temperabilidade do aço e meio de resfriamento de têmpera
A temperabilidade do aço pode ser determinada pela curva “C”. Aços com baixa temperabilidade requerem resfriamento mais rápido, enquanto aços com boa temperabilidade requerem resfriamento mais lento.
É crucial escolher um meio de resfriamento de têmpera apropriado com base na temperabilidade do aço.
(3) Diâmetro efetivo da peça de trabalho
Cada tipo de aço possui um diâmetro crítico para têmpera. Quando a superfície da peça temperada esfria até o ponto Ms, a velocidade de resfriamento do meio diminui significativamente e o calor dentro da peça também diminui. A austenita sub-resfriada dentro de uma certa profundidade na superfície da peça é difícil de resfriar abaixo do ponto Ms.
Para peças mais espessas, uma velocidade de resfriamento mais rápida em baixa temperatura deve ser selecionada para atingir profundidade suficiente da camada de têmpera. Por outro lado, para peças finas, pode ser utilizado um meio de resfriamento de têmpera com baixa temperatura e baixa taxa de resfriamento. A curva de distribuição da velocidade de resfriamento máxima permitida indica que peças grossas podem ser resfriadas em alta velocidade, enquanto peças finas devem ser resfriadas em baixa velocidade.
(4) Complexidade das peças temperadas
Com base na análise da curva de distribuição da velocidade de resfriamento mínima permitida, peças de trabalho com formatos complexos, particularmente aquelas com furos internos ou superfícies côncavas profundas, devem ser temperadas com um meio de resfriamento que tenha um curto estágio de filme de vapor para reduzir a distorção de têmpera e a necessidade de endurecimento de furos internos.
Para peças com formatos relativamente simples, pode ser usado um meio de resfriamento de têmpera com um estágio de filme de vapor um pouco mais longo. A curva de distribuição da velocidade de resfriamento máxima permitida mostra que a velocidade de resfriamento permitida para peças com formatos complexos é baixa, enquanto é alta para peças com formatos simples.
(5) Deformação Permitida
As peças temperadas devem ter distorção mínima e uma faixa estreita de velocidade de resfriamento. Quando a distorção permitida é grande, uma ampla faixa de velocidade de resfriamento é aceitável. Um meio que geralmente pode atingir a dureza de têmpera pode ser usado para a faixa de velocidade de resfriamento permitida. A faixa de velocidade de resfriamento da peça de trabalho pode ser reduzida por meio de têmpera isotérmica ou têmpera escalonada.
Devido à variedade de peças de trabalho e aos diferentes requisitos de tratamento térmico, existem inúmeras opções de meios de têmpera e resfriamento. Mesmo o mesmo tipo de peça temperada com meios diferentes pode resultar na mesma dureza superficial, dificultando a seleção do meio correto de têmpera e resfriamento. Com base nos princípios de economia e racionalidade, é selecionado o meio de resfriamento de têmpera mais adequado.
4. Exemplos de aplicação de meio de resfriamento de têmpera
(1) Têmpera com sal neutro para têmpera de aço rápido
O chamado extintor de sal neutro geralmente se refere a duas formulações:
O primeiro tipo: 50% BaCl2 + 30% KCl + 20% NaCl (fração de massa), ponto de fusão 560 ℃, temperatura de serviço 580 ~ 620 ℃, adequado para diâmetro efetivo ≤ 20 mm, pode garantir a velocidade de resfriamento dentro da faixa de temperatura de 1000 ~ 800 ℃ da peça de trabalho ≥ 7 ℃ / s, e evita que a precipitação de carboneto eutético afete o desempenho da ferramenta.
O segundo tipo: 48% CaCl2 + 31% BaCl2 + 21% NaCl, ponto de fusão 435 ℃, temperatura de serviço 460 ~ 550 ℃.
2. Para comodidade da dosagem, a fábrica alterou para 50% CaC12 + 30% bac12 + 20% NaC1, com ponto de fusão de 440°C e temperatura de serviço de 460-550° C.
Aplicável a peças de aço rápido com diâmetro efetivo inferior a 40 mm.
Os sais neutros das duas formulações são utilizados de forma diferente.
Recomenda-se a utilização de sais à base de cálcio quando o forno for aberto continuamente por mais de cinco dias por semana, pois esses sais têm forte capacidade de absorção de temperatura e são facilmente deliquescentes no ar.
Para pequenas peças temperadas e aberturas pouco frequentes de fornos, o sal à base de bário é uma escolha apropriada.
Fig. 2 diagrama de fase ternária de CaCl2BaCl2 e NaCl
(2) Têmpera em banho de nitrato
Nitrato refere-se aos quatro sais de NaNO3NÃO3NaNO2 e KNO2.
Como agente de extinção, poucos componentes individuais são usados, e dois ou três sais mistos são comumente usados.
A fórmula e o ponto de fusão são mostrados na Fig.
A fórmula mais utilizada é: 55% KNO3 + 45NaNO2ponto de fusão 137 ℃, temperatura de uso 160-550 ℃;
50% KNO3 + 50% NaNO2ponto de fusão 140 ℃, temperatura de serviço 160-550 ℃.
Esta solução é usada para têmpera de produtos de aço de baixa liga e para têmpera isotérmica de peças de aço rápido e de aço de alta liga.
Algumas empresas empregam banho de sal de nitrato como fluido de têmpera após a cementação de engrenagens grandes, resolvendo assim o desafio do tratamento térmico de engrenagens grandes.
Fig. 3 curva de fusão do sistema de nitrato
(3) Têmpera de solução aquosa de nitrato
Existem principalmente duas águas de nitrato e três águas de nitrato.
① A água com dois nitratos tem 25% NaNO3 + 25% NaNO2 + 50% de água e a temperatura de serviço é inferior a 60 ℃.
O uso de banho de sal de nitrato para têmpera isotérmica de 45 machos, matrizes e peças de aço de pequeno porte resolve não apenas o problema de têmpera de trincas, mas também garante uma dureza de têmpera relativamente uniforme.
Na produção industrial, são frequentemente encontrados moldes de aço para ferramentas de carbono com cantos vivos, ranhuras e tamanhos de seção transversal variados.
O nível de dureza desejado é 59-63HRC, mas a têmpera em água pode causar rachaduras e a têmpera em óleo não é suficientemente dura, tornando difícil alcançar a qualidade desejada usando qualquer um dos métodos sozinhos.
A têmpera isotérmica em banho de sal nitrato resolve esse problema. Durante este processo, a superfície da peça exibirá bolhas brancas de nitrato, estimadas em 1s/5mm na água de nitrato, a uma temperatura de cerca de 200°C.
A peça de trabalho é então imediatamente colocada em um banho de nitrato a 180°C para têmpera isotérmica por 30-60 minutos, resultando em uma peça de trabalho sem rachaduras, deformação mínima e atendendo ao nível de dureza exigido.
(4) Têmpera em água fervente
Algumas pessoas têm utilizado a têmpera em água fervente para o aço 45 como alternativa à têmpera e ao revenido, obtendo resultados positivos.
Para aço 45 com diâmetro de 40 mm a 80 mm, aquecer o aço a 840°C e temperá-lo em água fervente resulta em uma dureza de aproximadamente 250HBW, que é altamente uniforme.
A têmpera em água fervente pode substituir o tratamento de normalização do aço 45 como etapa final do tratamento térmico.
O aço rápido também pode ser temperado em água fervente a 850-870°C, em vez do tratamento tradicional de têmpera e revenido.
O aço para rolamentos passa por um duplo tratamento de refino com têmpera em água fervente.
Como a taxa de resfriamento da água fervente é mais lenta que a do óleo, não há necessidade de se preocupar com rachaduras causadas pela extinção da água fervente.
O processo envolve a têmpera do aço do rolamento em água fervente imediatamente após o forjamento final, o resfriamento da peça a 500-400°C e o resfriamento da água com ar. Em seguida, o recozimento da peça a 730-740°C por 3 a 4 horas e o resfriamento ao ar após a descarga do forno resultam em grãos ultrafinos e carbonetos finos.
Existem inúmeras outras aplicações de têmpera com água fervente, muitas para serem listadas individualmente. Quando usado corretamente, pode conservar energia e aumentar a eficiência.
(5) Têmpera azulada
Este é um tipo de meio de resfriamento de têmpera preparado pela fábrica e resulta em uma peça visualmente atraente e resistente à corrosão após a têmpera.
Existem duas formulações com cores distintas:
① 70% NaNO3 + 20% KNO3 + 10% NaNO2o que resulta em uma peça preta após a têmpera.
② 70% NaNO2 + 20% KNO3 + 10% NaNO3o que resulta em uma peça azul após a têmpera.
Os três nitratos são misturados uniformemente nas proporções especificadas e, em seguida, uma quantidade apropriada de água é adicionada para criar uma solução supersaturada. A solução é então aquecida a 40-60°C para utilização.
(6) Têmpera de polímero solúvel em água – polialquilenoglicol (PAG)
O PAG possui uma característica única de solubilidade reversa, o que significa que sua solubilidade em água diminui à medida que a temperatura aumenta.
A velocidade de resfriamento pode ser controlada ajustando a concentração, temperatura e agitação da solução.
Os refrigerantes da série PAG possuem uma capacidade de têmpera que fica entre água e óleo, tornando-os versáteis para uso em uma ampla gama de aplicações.
Desde a sua introdução nos Estados Unidos na década de 1960, o PAG tornou-se uma solução amplamente utilizada na indústria de tratamento térmico e substituiu com sucesso a água alcalina e o óleo para têmpera e resfriamento de aço carbono e aço de baixa liga.
(7) Óleo de têmpera
Os óleos de têmpera foram categorizados em vários tipos, incluindo óleo de têmpera comum, óleo de têmpera brilhante, óleo de têmpera rápida, óleo de têmpera rápido e brilhante, óleo de têmpera ultrarrápido, óleo de têmpera a vácuo, óleo de têmpera graduado e óleo de têmpera isotérmico.
Embora o óleo de têmpera tenha muitos benefícios como meio de resfriamento de têmpera, suas desvantagens também são significativas. Por exemplo, produz fumo de óleo que polui o ambiente e representa um risco para a saúde humana, é propenso ao envelhecimento e à ignição, e a eliminação de óleo usado é uma questão desafiadora.
Na indústria de ferramentas e matrizes, sugere-se a eliminação gradual do uso de óleo de têmpera e o desenvolvimento e adoção de novos meios de resfriamento de têmpera que economizem energia e sejam ecologicamente corretos.
(8) extinção de gás
Aços de alta temperabilidade com pequenas dimensões podem ser temperados a gás.
A capacidade de resfriamento do gás depende do tipo, pressão e vazão do gás.
Lâminas mecânicas de aço rápido com espessura inferior a 20 mm podem ser resfriadas diretamente a ar após aquecimento por indução, resultando em alta dureza acima de 63HRC.
O aço de alta liga tipo Cr12 também pode ser temperado ao ar e, para melhorar a velocidade de resfriamento, pode ser resfriado com um método de sopro.
Modelos com tamanho efetivo superior a 50 mm podem até ser resfriados em uma placa de cobre resfriada a água.
Nos últimos anos, tem havido um rápido crescimento no desenvolvimento de têmpera a gás de alta pressão a vácuo. Os gases de resfriamento comumente usados incluem N2Ele, H2e Ar.
O H2 tem a melhor condutividade térmica, mas é altamente inflamável e pode causar explosões quando misturado ao ar, tornando-o uma opção insegura. Também causa descarbonetação do aço acima de 1000°C, limitando sua aplicação.
N2 tem baixa capacidade de resfriamento, mas é acessível e seguro, o que o torna amplamente utilizado na têmpera a gás.
5. Conclusão
A escolha e utilização de um meio de resfriamento de têmpera para tratamento térmico tem um impacto significativo não apenas na qualidade do produto e nos benefícios econômicos, mas também na sobrevivência e no crescimento da empresa.
É importante selecionar o melhor meio de resfriamento de têmpera com base nos requisitos de material e desempenho das peças de têmpera da empresa, para garantir um endurecimento bem-sucedido, minimizar a deformação e alcançar o desempenho desejado.
