A segurança e considerações ambientais tornam a têmpera a gás uma alternativa atraente para a têmpera líquida. As vantagens da têmpera a gás incluem produtos limpo, distorção mínima, e a eliminação dos problemas ambientais associados aos meios de têmpera líquidos. Contudo, a têmpera a gás não tem sido amplamente usada por causa da taxa de resfriamento limitada. A mistura RGQ da Air Products aumenta a taxa de resfriamento do gás mais que 100% de hélio para uma determinada pressão e velocidade do gás
A operação de têmpera é uma etapa chave no tratamento térmico de peças de aço. O objetivo do processo de têmpera é resfriar as peças da temperatura de austenitização a uma taxa de resfriamento necessária para produzir uma quantidade de martensita controlada na microestrutura para o endurecimento.
A seleção de um meio de têmpera baseia-se na composição do aço, dimensão da peça, e da qualidade superficial. A função do meio de têmpera é controlar a taxa de transferência de calor da superfície das peças temperadas. Os meios de têmpera comumente utilizados são líquidos (óleo, soluções poliméricas aquosas, salmoura, e água) ou gás (hélio, argônio, e nitrogênio).
O gás de têmpera é um meio de têmpera ambientalmente amigável, e gera produtos mais limpos, eliminando a necessidade de lavar as peças após a têmpera e eliminando o fluído de têmpera líquida. Além disso, a têmpera a gás promove maior uniformidade no resfriamento e menos distorção comparada à têmpera líquida, assim reduzindo a usinagem pós têmpera.
Uma desvantagem da têmpera a gás é que seu coeficiente de transferência de calor é menor que da têmpera líquida. Neste caso, a têmpera a gás desenvolvida pela Air Products (RGQ) com mistura de nitrogênio-hélio ou argônio-hélio aumenta a taxa de resfriamento do gás comparada a 100% de hélio em uma determinada pressão e velocidade.
Coeficiênte de Tranferência de Calor
A têmpera a gás de alta pressão geralmente utiliza uma câmara pressurizada para temperar as peças das temperaturas de austenitização. Durante a têmpera a gás, o resfriamento das peças é o resultado da transferência de calor por convecção forçado entre a superfície das peças e os gases. A taxa de resfriamento da peças temperada é proporcional ao coeficiente de transferência de calor (h) entre os gases refrigerantes e a superfície das peças temperada.
O coeficiente de transferência de calor pode ser expresso como (1):
Deste modo,
Onde, D = diâmetro do cilindro, k = condutividade térmica do gás, Vmax = velocidade máxima do gás, ρ = densidade do gás, µ = viscosidade do gás, Pr = Número de Prandtl = (Cp µ)/k, e Cp = calor específico do gás.
De acordo com a equação (1), o coeficiente de transferência de calor é proporcional à condutividade do gás (k), da taxa de fluxo do gás (velocidade), da densidade do gás, e da capacidade de calor específico (Cp). Uma vez que a densidade é proporcional a pressão do gás, o coeficiente de transferência de calor aumenta com a pressão do gás. As constantes a, α, e β são funções do forno e da geometria da peça, posicionamento das peças no forno, tipo e número de bicos injetores de gás.
A equação 1 de Grimson para o sistema onde o fluxo de gás de têmpera é perpendicular as peças é dada por:
h = 0.52 (k / D) Re0,562 Pr1/3
Esta equação é plotada na figura 1 para um grupo de parâmetros e vários gases industriais.
Efeito do Tipo de Gás e da Pressão do Gás
Os gases com moléculas menores e mais leves exibem condutividade térmica maior porque elas podem mover-se rapidamente e por longas distâncias sem uma colisão. Consequentemente, moléculas de hélio e hidrogênio exibem um coeficiente de transferência de calor maior comparado as moléculas maiores e mais pesadas de argônio e nitrogênio (figura 1). Para um dado gás, o coeficiente de transferência de calor aumenta com o aumento da pressão do gás. A utilização de gases mais leves diminui a necessidade da força do motor dos ventiladores de circulação do gás e, por isso, permite o uso de maior pressão para um determinado modelo de ventilador. Hélio é geralmente usado para têmpera de peças mais espessas. A questão do custo com hélio pode ser superada pela reciclagem de hélio [3,4] conforme as figuras 2 e 3, ou pela utilização de mistura gasosa (Ar-He).
Tecnologia de Têmpera a Gás Rápida (RGQ) da Air Products
A pesquisa mostra que uma mistura gasosa de hélio e argônio ou, hélio e nitrogênio tem um maior poder de resfriamento que o hélio puro sozinho, como mostrado na Figura 4 [2]. Este comportamento é o resultado do efeito combinado da condutividade térmica e da densidade do gás no coeficiente de transferência de calor. O uso do hélio-argônio ou hélio-nitrogênio reduz a quantidade de hélio necessária para a têmpera, ao mesmo tempo, fornece uma força de resfriamento melhor do que 100% de hélio.
A Air Products executou uma série de testes em um forno tratador turbo 5-bar utilizando uma capacidade do ventilador de 10.000 pés cúbicos por minuto, com uma zona quente de 48 polegadas de diâmetro por 60 polegadas de profundidade. Para cada teste o peso da carga foi de 840 quilos e era composta por cilindros de aço de 1” de diâmetro por 4” de comprimento e localizado em três cestas. Dez termopares foram colocados em várias localizações e a carga foi aquecida até 1200 °C em vácuo e então temperada com 100% de argônio, 100% de hélio, ou mistura de argônio e hélio (20%Ar-He).
A figura 5 mostra o gráfico da temperatura versus o tempo para os testes. Nestes casos, foi evidente que uma mistura de 20% de argônio e 80% de hélio promoveu a taxa de resfriamento mais acelerada.
A figura 6 mostra uma comparação da habilidade de resfriamento relativo da mistura RGQ com três gases inertes comumente utilizados em fornos a vácuo de têmpera a gás. A capacidade de resfriamento melhora cerca de 10% com a mistura de hélio e argônio quando comparada com 100% de hélio.
Com a mistura gasosa RGQ, o tratador térmico a vácuo pode aumentar a produção, reduzir o custo de operação, melhorar as propriedades metalúrgicas, e aumentar a flexibilidade do forno para lidar com cargas maiores e outros materiais. IH
