Você já se perguntou por que o meio de resfriamento usado na têmpera é tão importante? A escolha do meio de resfriamento de têmpera correto pode ser decisiva para a qualidade interna e o formato dos componentes metálicos. Neste artigo, exploramos os fatores que influenciam a seleção dos meios de resfriamento, incluindo suas propriedades, o desempenho do resfriamento e exemplos práticos de aplicação. Ao final, você entenderá como garantir o endurecimento ideal e, ao mesmo tempo, minimizar as distorções em suas peças tratadas termicamente.
O resfriamento é o estágio mais importante do processo de tratamento térmico e determina a qualidade interna e a extensão da distorção nos componentes resfriados.
A tecnologia de resfriamento por têmpera tem apresentado avanços contínuos com o avanço da tecnologia de tratamento térmico. No entanto, apesar desse progresso, o processo de resfriamento continua complexo e desafiador devido à sua natureza instantânea e às limitações de observação e medição. Como resultado, o resfriamento por têmpera continua sendo um mistério.
Durante muitos anos, o setor de maquinário foi culpado de "enfatizar o frio e negligenciar o calor", dando mais ênfase ao processamento a frio e negligenciando a importância do processamento a quente. Enquanto isso, o setor de tratamento térmico tende a "enfatizar o calor e negligenciar o frio", dando mais ênfase ao aquecimento e ignorando o papel crucial do resfriamento. Esse é um fenômeno incomum e problemático.
Com minha ampla experiência em tratamento térmico, gostaria de compartilhar minhas percepções sobre a compreensão e a seleção de meios de resfriamento de têmpera.
O termo "velocidade de resfriamento ideal" refere-se à taxa de resfriamento esperada no nariz do Curva C para um material específico e uma peça que tenha sido resfriada. Essa taxa deve ser maior do que a velocidade crítica de resfriamento, que é a velocidade mínima necessária para garantir que a peça de trabalho passe pelo processo de resfriamento. martensita transformação com sucesso.
Em outras faixas de temperatura, especialmente durante a transformação da martensita (Ms → Mf), o resfriamento deve ser realizado mais lentamente. Isso costuma ser chamado de princípio de "resfriamento rápido em altas temperaturas e resfriamento lento em baixas temperaturas".
Cada tipo de aço Cada peça de trabalho tem seus próprios requisitos exclusivos para resfriamento "rápido" e "lento". Teoricamente, existe o conceito de um "meio de resfriamento de têmpera ideal", conforme ilustrado na Fig. 1.
Deve-se observar que o Curva C para diferentes tipos de aço podem variar.
Infelizmente, não é possível encontrar um único "meio de resfriamento de têmpera ideal" que seja adequado para resfriar todos os tipos de aço e peças de trabalho de diferentes tamanhos.
Em vez disso, o meio de resfriamento de têmpera adequado deve ser selecionado com base nas condições específicas, a fim de obter uma peça temperada com distorção mínima e boa metalografia.
Fig. 1 Curva ideal do meio de resfriamento de têmpera
O meio de resfriamento de têmpera usado deve ser estável e não deve estar sujeito a decomposição, deterioração ou envelhecimento durante o uso.
Diferentes óleos de têmpera e solventes orgânicos têm diferentes graus de envelhecimento, e é importante ajustá-los, atualizá-los e mantê-los regularmente.
É fundamental resfriar as diferentes partes e superfícies da peça de trabalho da forma mais uniforme possível para evitar a formação de pontos moles e blocos durante o processo. processo de resfriamento.
Após a têmpera, ele deve ser mantido limpo e ser facilmente limpo, e não deve corroer a peça de trabalho.
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.
O meio de resfriamento usado no processo de têmpera não é inflamável nem explosivo, o que o torna seguro para uso.
O meio de resfriamento usado na têmpera não deve ser apenas de alta qualidade, mas também ter um preço razoável. Entretanto, se for muito caro, pode não ser bem recebido pelas empresas de tratamento térmico.
Há vários fatores que podem afetar o desempenho de resfriamento do meio de resfriamento de têmpera, que podem ser categorizados em nove tipos.
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 com o aumento da temperatura, 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 sua capacidade de resfriamento. Como resultado, é essencial entender os requisitos específicos de temperatura de resfriamento da peça de trabalho.
A tensão superficial tem um impacto direto sobre a velocidade de resfriamento. Normalmente, os meios de resfriamento de têmpera com baixa tensão superficial estão em contato próximo com a superfície das peças resfriadas, o que permite uma rápida dissipação de calor e melhor capacidade de resfriamento.
A agitação do 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 resfriadas esfriem uniformemente.
A condutividade térmica, também chamada de condutividade de calor, é uma propriedade física que representa a capacidade de uma substância de conduzir calor. Quanto maior a condutividade térmica, maior a capacidade de resfriamento do material.
Quanto maior a capacidade de calor específica do meio de resfriamento de têmpera, maior a velocidade de resfriamento.
A viscosidade representa a força de fricção entre as moléculas de líquido em um líquido durante seu fluxo. Os meios de resfriamento de resfriamento com alta viscosidade têm baixa fluidez, dificultando a dissipação de calor por convecção e resultando em baixa capacidade de resfriamento. Por outro lado, os meios de resfriamento de resfriamento com baixa viscosidade têm um efeito de resfriamento melhor.
O termo "calor de vaporização" refere-se à quantidade de calor necessária para converter uma unidade de massa de líquido em um gás a uma temperatura constante.
A água tem uma alta estabilidade química e uma grande capacidade de aquecimento, que é 8 vezes maior que a do aço em temperatura ambiente.
Apesar de 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 resfriamento da água cai significativamente.
No entanto, quando a temperatura da água atinge 80°C, sua capacidade de resfriamento permanece relativamente estável e mantém uma intensidade de resfriamento de aproximadamente 0,72.
A adição de aditivos é usada para alterar o desempenho do resfriamento. Se uma pequena quantidade de sal ou álcali for adicionada à água, ela pode aumentar significativamente sua capacidade de resfriamento.
Quando o álcool polivinílico é adicionado, forma-se um filme plástico fino 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 um filme 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 com efeitos variados sobre o desempenho do resfriamento.
De modo geral, a adição de aditivos geralmente tem várias finalidades.
O impacto do ambiente na capacidade de resfriamento 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 ser diferente entre o dia e a noite.
Diversas 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 de resfriamento pode resultar no desperdício de peças resfriadas.
Por esse motivo, o uso adequado do meio de resfriamento de têmpera é essencial para garantir a qualidade do produto. Independentemente do meio escolhido, é fundamental obter efeitos de resfriamento uniformes:
O meio de resfriamento de têmpera adequado deve ser selecionado com base nos requisitos técnicos do tratamento térmico, no material, no formato e em outras condições específicas das peças temperadas. Os cinco princípios básicos a seguir devem ser considerados:
(1) Importância de Conteúdo de carbono no aço
O carbono é um elemento crucial em todos os tipos de aço. O teor de carbono tem um impacto significativo sobre as propriedades e o 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.
Os aços estruturais de média e baixa liga são normalmente duplamente temperados ou resfriados em uma velocidade relativamente lenta usando um meio.
O aço carbono para ferramentas, que requer alto tratamento térmico e tem baixa temperabilidade, geralmente é temperado com um banho alcalino ou de nitrato, e o resfriamento com óleo raramente é usado.
(2) Endurecimento do aço e meio de resfriamento de têmpera
A temperabilidade do aço pode ser determinada pela curva "C". O aço com baixa temperabilidade requer um resfriamento mais rápido, enquanto o aço com boa temperabilidade requer um resfriamento mais lento.
É fundamental escolher um meio de resfriamento de têmpera adequado com base na temperabilidade do aço.
(3) Diâmetro efetivo da peça de trabalho
Cada tipo de aço tem um diâmetro crítico para a têmpera. Quando a superfície da peça resfriada esfria até o Ponto da Sra.Se o resfriamento for insuficiente, a velocidade de resfriamento do meio diminui significativamente e o calor dentro da peça de trabalho também diminui. O resfriamento insuficiente austenita dentro de uma certa profundidade na superfície da peça de trabalho é difícil de resfriar abaixo do ponto Ms.
Para peças mais grossas, deve-se selecionar uma velocidade de resfriamento de baixa temperatura mais rápida para obter uma profundidade de camada de têmpera suficiente. Por outro lado, para peças finas, pode ser usado um meio de resfriamento de têmpera com baixa temperatura e baixa taxa de resfriamento. A curva de distribuição da velocidade máxima de resfriamento permitida indica que as peças grossas podem ser resfriadas em alta velocidade, enquanto as 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, as peças de trabalho com formas complexasparticularmente aqueles com furos internos ou superfícies côncavas profundas, devem ser resfriados com um meio de resfriamento que tenha um estágio de filme de vapor curto para reduzir a distorção de resfriamento e a necessidade de endurecer os furos internos.
Para peças com formas 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 faixa de velocidade de resfriamento ampla é aceitável. Para a faixa de velocidade de resfriamento permitida, pode ser usado um meio que geralmente consegue atingir a dureza de resfriamento. A faixa de velocidade de resfriamento da peça de trabalho pode ser reduzida por meio de resfriamento isotérmico ou resfriamento em etapas.
Devido à variedade de peças de trabalho e aos diferentes requisitos de tratamento térmico, há inúmeras opções de meios de resfriamento e têmpera. Até mesmo o mesmo tipo de peça de trabalho resfriada com meios diferentes pode resultar na mesma dureza de superfície, o que dificulta a seleção do meio de resfriamento e resfriamento correto. Com base nos princípios de economia e racionalidade, é selecionado o meio de resfriamento de têmpera mais adequado.
O chamado agente 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 evitar 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 ℃.
O diagrama de fases é mostrado na Fig. 2. Para a conveniência da dosagem, a fábrica o alterou para 50% CaC12 + 30% bac12 + 20% NaC1, com um ponto de fusão de 440 °C e uma temperatura de serviço de 460-550 °C.
Aplicável a peças de aço de alta velocidade com diâmetro efetivo inferior a 40 mm.
Os sais neutros das duas formulações são utilizados de forma diferente.
Recomenda-se usar sais à base de cálcio quando o forno for aberto continuamente por mais de cinco dias por semana, pois esses sais têm uma forte capacidade de absorção de temperatura e são facilmente deliquescentes no ar.
Para peças pequenas temperadas e aberturas de forno pouco frequentes, o sal à base de bário é uma opção adequada.
Fig. 2 Diagrama de fase ternária de CaCl2, BaCl2 e NaCl
Nitrato refere-se aos quatro sais de NaNO3, KNO3, NaNO2 e KNO2.
Como agente de têmpera, 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. 3.
A fórmula mais usada é: 55% KNO3 + 45NaNO2Ponto de fusão 137 ℃, temperatura de uso 160-550 ℃;
50% KNO3 + 50% NaNO2ponto de fusão 140 ℃, temperatura de serviço 160-550 ℃.
Essa solução é usada para resfriamento de baixas liga de aço e para o resfriamento isotérmico de peças de aço de alta velocidade e de aço de alta liga.
Algumas empresas utilizam o 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
Há principalmente duas águas de nitrato e três águas de nitrato.
① A água com dois nitratos é 25% NaNO3 + 25% NaNO2 + 50% água, e a temperatura de serviço é inferior a 60 ℃.
O uso de banho de sal de nitrato para resfriamento isotérmico de machos, matrizes e peças de trabalho de pequeno porte de aço 45 resolve não apenas o problema das rachaduras de resfriamento, mas também garante uma dureza de resfriamento relativamente uniforme.
Na produção industrial, é comum encontrar moldes de aço carbono para ferramentas com cantos afiados, ranhuras e tamanhos variados de seção transversal.
O nível de dureza desejado é de 59 a 63HRC, mas resfriamento com água pode causar rachaduras e a têmpera com óleo não é suficientemente dura, o que dificulta a obtenção da qualidade desejada usando apenas um dos métodos.
A têmpera isotérmica em banho de sal de nitrato resolve esse problema. Durante esse processo, a superfície da peça de trabalho exibirá bolhas brancas de nitrato, estimadas em 1s/5mm na água nitratada, a uma temperatura de cerca de 200°C.
Em seguida, a peça de trabalho é imediatamente colocada em um banho de nitrato a 180°C para resfriamento isotérmico por 30 a 60 minutos, resultando em uma peça de trabalho sem rachaduras, com deformação mínima e que atende ao nível de dureza exigido.
Algumas pessoas têm usado a têmpera com água fervente para o aço 45 como uma alternativa para têmpera e revenimento, obtendo resultados positivos.
Para aço 45 com diâmetro de 40 mm a 80 mm, o aquecimento do aço a 840 °C e o resfriamento em água fervente resultam em uma dureza de aproximadamente 250HBW, que é altamente uniforme.
A têmpera com água fervente pode substituir o tratamento de normalização do aço 45 como a 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 revenimento.
Aço para rolamentos passa por um tratamento de refino duplo com resfriamento em água fervente.
Como a taxa de resfriamento da água fervente é mais lenta do que a do óleo, não há necessidade de se preocupar com rachaduras causadas pelo resfriamento da água fervente.
O processo envolve a têmpera do aço do rolamento em água fervente imediatamente após o forjamento final, o resfriamento da peça de trabalho a 500-400°C e o resfriamento da água com ar. Em seguida, recozimento A peça de trabalho 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.
Há várias outras aplicações de resfriamento com água fervente, muitas das quais não podem ser listadas individualmente. Quando usado corretamente, ele pode economizar energia e aumentar a eficiência.
Esse é um tipo de meio de resfriamento de têmpera que é preparado pela fábrica e resulta em uma peça de trabalho visualmente atraente e resistente à corrosão após a têmpera.
Há duas formulações com cores distintas:
① 70% NaNO3 + 20% KNO3 + 10% NaNO2o que resulta em uma peça de trabalho preta após a têmpera.
② 70% NaNO2 + 20% KNO3 + 10% NaNO3o que resulta em uma peça azulada após a têmpera.
Os três nitratos são misturados uniformemente nas proporções especificadas e, em seguida, uma quantidade adequada de água é adicionada para criar uma solução supersaturada. A solução é então aquecida a 40-60°C para uso.
O PAG tem 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-se a concentração, a temperatura e a agitação da solução.
Os líquidos de arrefecimento da série PAG têm uma capacidade de resfriamento que fica entre a água e o óleo, o que os torna 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 no setor de tratamento térmico e substituiu com sucesso a água alcalina e o óleo para a têmpera e o resfriamento de aço carbono e aço de baixa liga.
Os óleos de resfriamento foram categorizados em vários tipos, incluindo os comuns óleo de têmperaÓleo de resfriamento brilhante, óleo de resfriamento rápido, óleo de resfriamento brilhante rápido, óleo de resfriamento ultrarrápido, óleo de resfriamento a vácuo, óleo de resfriamento graduado e óleo de resfriamento isotérmico.
Embora o óleo de têmpera tenha muitos benefícios como meio de resfriamento de têmpera, suas desvantagens também são significativas. Por exemplo, ele produz fumaça de óleo que polui o meio ambiente e representa um risco para a saúde humana, é propenso ao envelhecimento e à ignição, e o descarte de óleo usado é uma questão desafiadora.
No setor de ferramentas e matrizes, sugere-se a eliminação gradual do uso de óleo de têmpera e o desenvolvimento e a adoção de novos meios de resfriamento de têmpera que economizem energia e sejam ecologicamente corretos.
O aço de alta temperabilidade com pequenas dimensões pode ser temperado a gás.
A capacidade de resfriamento do gás depende do tipo, da pressão e da taxa de fluxo do gás.
As lâminas mecânicas de aço de alta velocidade com espessura inferior a 20 mm podem ser resfriadas diretamente pelo ar após o aquecimento por indução, resultando em uma alta dureza acima de 63HRC.
O aço de alta liga do tipo Cr12 também pode ser temperado no ar e, para aumentar a velocidade de resfriamento, pode ser resfriado com um método de sopro.
Os modelos com tamanho efetivo superior a 50 mm podem até ser resfriados em uma placa de cobre resfriada a água.
Nos últimos anos, houve um rápido crescimento no desenvolvimento da têmpera a vácuo com gás de alta pressão. Os gases de resfriamento comumente usados incluem N2, He, H2e Ar.
O H2 tem a melhor condutividade térmica, mas é altamente inflamável e pode causar explosões quando misturado ao ar, o que o torna uma opção insegura. Ele também causa descarbonetação do aço acima de 1000°C, o que limita sua aplicação.
N2 tem baixa capacidade de resfriamento, mas é acessível e seguro, o que o torna amplamente utilizado na têmpera a gás.
A escolha e o uso de um meio de resfriamento de têmpera para tratamento térmico têm 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 trabalho de têmpera da empresa, para garantir o sucesso do endurecimento, minimizar a deformação e obter o desempenho desejado.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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