Meios de Têmpera e Severidade do Resfriamento

O que significam os meios de têmpera e a severidade do resfriamento

Meio de têmpera versus severidade do resfriamento

Um meio de têmpera é o fluido, gás ou outro meio de transferência de calor que remove calor do aço austenitizado. Entre os meios comuns estão água, salmoura aquosa, soluções aquosas de polímeros, óleos de têmpera, sais fundidos e gás forçado. O meio é identificado por sua composição ou por sua principal forma física.

A severidade do resfriamento é diferente. Ela descreve com que intensidade e rapidez esse meio extrai calor da peça ao longo do tempo. Portanto, a severidade inclui tanto a magnitude da remoção de calor quanto sua variação durante a têmpera. Um meio pode ser identificado quimicamente como “água”, mas sua severidade de resfriamento muda quando se alteram sua temperatura, agitação, sais dissolvidos, contaminação ou contato com o aço.

Diversas medições descrevem diferentes partes desse processo. Taxa de resfriamento é a variação da temperatura da sonda ou do aço por unidade de tempo, geralmente expressa em °C/s. Ela pode ser informada em uma temperatura especificada, como 600 °C ou 300 °C, porque a taxa não é constante durante toda a têmpera. Fluxo de calor é a taxa de transferência de calor por unidade de área superficial, normalmente expressa em W/m². Ele descreve a carga térmica que atravessa a interface entre o aço e o meio de têmpera, em vez de simplesmente a queda de temperatura do aço. Uma curva de resfriamento registra a temperatura da sonda, ou uma grandeza calculada relacionada, em função do tempo e, às vezes, da temperatura. Ela revela quando o resfriamento é lento ou rápido e ajuda a identificar mudanças nas condições de transferência de calor.

Esses termos não devem ser substituídos uns pelos outros. Uma alta taxa de resfriamento em determinada temperatura não prova que o meio de têmpera tenha o maior fluxo de calor durante toda a têmpera. Da mesma forma, duas curvas de resfriamento podem apresentar taxas máximas semelhantes, mas momentos diferentes, o que pode produzir transformações distintas no aço.

[1][1] Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review. ASTM International. ASTM Special Technical Publication, 2024.

A primeira etapa após a imersão costuma ser a ebulição em filme. Um manto contínuo de vapor separa o aço quente do líquido, limitando o contato direto e produzindo uma transferência de calor relativamente lenta. À medida que a superfície esfria, o filme de vapor colapsa e tem início a ebulição nucleada. O líquido entra em contato intermitente com a superfície por meio de bolhas de vapor que se formam e se desprendem rapidamente, e a transferência de calor se torna muito mais rápida. Em temperaturas superficiais mais baixas, a ebulição termina e o resfriamento convectivo controla a remoção de calor restante. A análise da ASTM International, Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review, enfatiza que a taxa de resfriamento muda ao longo dessas etapas distintas. A curva de resfriamento é, portanto, um registro de mecanismos de transferência de calor variáveis, e não uma propriedade única do líquido.

Os métodos com sonda tornam essa distinção prática. A ISO 9950:1995 especifica um ensaio com sonda de liga de níquel para determinar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas e sem agitação. A ASTM D8562-24 especifica um ensaio de taxa de resfriamento com sonda de prata, sem agitação, para meios de têmpera poliméricos aquosos utilizados com ligas de aço. O material, as dimensões e o acabamento superficial da sonda, o sistema de registro, a temperatura do banho e a condição de agitação fazem parte do resultado. Um valor obtido por um método não pode ser automaticamente considerado equivalente a um valor obtido por outro.

O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM identifica a ASTM D6200 para óleos de têmpera, a ASTM D6482 para meios de têmpera poliméricos aquosos agitados, a ASTM D6549 para meios de têmpera agitados e a ASTM D8562 para meios de têmpera poliméricos aquosos ensaiados com uma sonda de prata. Essas normas permitem comparações sob condições declaradas. Elas não transformam “óleo”, “água” ou “polímero” em um número universal de severidade.

Por que a severidade é uma variável do processo

A severidade do resfriamento depende do processo completo de têmpera, e não apenas da composição do meio de têmpera. Strong evidence

A severidade do resfriamento pertence ao processo completo de têmpera, e não apenas ao rótulo do meio de têmpera. A temperatura do banho é uma variável imediata. Aquecer a água ou o óleo altera a viscosidade, a formação de vapor, a densidade e a convecção; também pode modificar a faixa de temperatura na qual a ebulição em filme persiste. As soluções poliméricas são especialmente sensíveis à concentração e à temperatura, porque o polímero afeta o manto de vapor e a resistência do líquido ao escoamento.

[2][2] Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement. Peer-reviewed study authors. Peer-reviewed study, 2022.

A agitação ou a configuração do escoamento pode alterar o resultado mesmo quando a composição do banho permanece constante. A circulação por bomba, a agitação por hélice, o movimento da peça, a pressão de pulverização, o espaçamento entre bicos e a direção dos jatos alteram a camada-limite e removem o líquido quente ou o vapor da superfície do aço. Uma região estagnada ao lado de um grande forjado pode resfriar muito mais lentamente que uma superfície diretamente exposta a um jato em movimento no mesmo tanque. O estudo revisado por pares Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement relata que a microestrutura do aço é determinada pela taxa de remoção de calor da superfície e pela taxa de resfriamento local, ambas controladas pelo tipo de meio de resfriamento e pela configuração do escoamento.

A geometria é importante pelo mesmo motivo. Bordas e seções finas expõem uma área superficial maior em relação ao seu volume e normalmente resfriam mais rapidamente que o centro de uma seção espessa. Furos, reentrâncias, rasgos de chaveta e peças muito próximas umas das outras podem aprisionar vapor ou restringir o movimento do líquido. Uma sonda suspensa em líquido aberto não reproduz todas as condições locais de uma engrenagem, matriz, eixo ou placa complexa. A curva medida é uma evidência sobre a configuração do ensaio, e não uma garantia de que todos os pontos de uma carga tenham experimentado essa curva.

A condição da superfície também altera a molhabilidade. Carepa, oxidação, marcas de usinagem, camadas cementadas, resíduos de limpador, arraste de óleo e depósitos superficiais podem retardar o contato com o líquido ou estabilizar um filme de vapor. Em meios de têmpera aquosos, a contaminação pode alterar a tensão superficial e o comportamento das bolhas. Nos óleos, produtos de oxidação e borra podem modificar a viscosidade, a molhabilidade e a circulação. Erros de concentração em salmouras ou soluções poliméricas têm consequências semelhantes. A formulação nominal pode permanecer inalterada no papel, enquanto a interface real se comporta de maneira diferente.

Essa dependência do processo está diretamente ligada à transformação do aço. A austenita deve resfriar-se através das regiões de perlita e bainita do comportamento de transformação tempo–temperatura antes de atingir a temperatura de início da martensita. Se o resfriamento local for muito lento, ferrita, perlita ou bainita podem se formar onde se pretendia obter martensita. Se o resfriamento for muito severo, a peça poderá desenvolver gradientes térmicos excessivos, distorção ou trincas de têmpera. A questão relevante não é simplesmente saber se a água é “severa”, mas se o histórico de resfriamento local produz a microestrutura necessária sem tensões inaceitáveis.

Valor H de GrossmannValor H de Grossmann Parâmetro efetivo de intensidade de têmpera usado com a temperabilidade do aço e o tamanho da seção na análise de Grossmann; não é o mesmo que uma taxa de resfriamento ou uma ordenada da curva de resfriamento.

A análise de Grossmann fornece outra descrição útil, porém separada. Seu valor H, ou fator de severidade da têmpera de Grossmann, representa a intensidade da têmpera em uma análise idealizada de transferência de calor e é utilizado com a temperabilidade do aço e o tamanho da seção para estimar a distribuição de dureza resultante. Ele não é o mesmo que uma taxa de resfriamento, um fluxo de calor ou uma ordenada da curva de resfriamento. O valor H é um parâmetro de processo inferido no âmbito do modelo de Grossmann, enquanto uma curva de resfriamento de sonda é um histórico de temperatura medido sob um ensaio especificado.

Valor H de Grossmann representativo

Limite inferior do intervalo típico de valores HLimite superior do intervalo típico de valores H

[3][3] NPTEL materials on quench severity. NPTEL. NPTEL course materials, 2024.

Valores de referência ilustram a escala sem torná-la absoluta. Os materiais do NPTEL de 2024 atribuem à água sem agitação uma classificação relativa arbitrária de severidade de 1,0. Os valores típicos de Grossmann são aproximadamente 0,25–0,30 para óleo parado, 0,9–1,0 para água parada e cerca de 2 para soda cáustica ou salmoura paradas. Faixas de referência mais amplas indicam 2,0–5,0 para salmoura, 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente, 0,2–1,2 para soluções poliméricas aquosas e 0,25–0,80 para óleos de têmpera convencionais ou rápidos. Essas são faixas típicas, e não constantes imutáveis dos materiais. Um óleo submetido a agitação intensa pode superar a severidade de um óleo parado, enquanto uma água quente ou com circulação deficiente pode comportar-se de maneira menos severa que a sugerida por uma referência de laboratório.

Os limites das classificações simples entre óleo, água e salmoura

A classificação familiar — óleo, depois água, depois salmoura — pode ser útil como primeira aproximação didática, mas não constitui uma especificação de produção confiável. A salmoura geralmente reduz a persistência do filme de vapor e proporciona uma molhabilidade inicial mais rápida que a água pura, podendo, assim, produzir maior severidade sob condições de ensaio comparáveis. No entanto, a concentração de sal, a temperatura do banho, a agitação, a contaminação e a geometria da peça determinam a importância dessa vantagem. “Água” abrange condições estáticas, circuladas, pulverizadas, quentes, frias, destiladas e contaminadas. “Óleo” abrange diferentes viscosidades, formulações, temperaturas e graus de oxidação.

Até mesmo a etapa comparada altera a classificação. Um meio de têmpera pode produzir uma alta taxa máxima de resfriamento durante a ebulição nucleada, mas apresentar uma etapa prolongada de ebulição em filme. Outro pode molhar a superfície mais cedo e remover calor de modo mais consistente, produzindo um resultado de transformação diferente apesar de uma taxa máxima menor. Um único valor H também comprime um histórico variável de transferência de calor em um único parâmetro; portanto, não pode substituir a análise da curva de resfriamento quando distorção, trincas ou microestrutura local são importantes.[4][4] Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media. Study authors. Peer-reviewed study, 2024.

Os métodos ASTM de curva de resfriamento e a ISO 9950 são, portanto, ferramentas de comparação delimitadas pelos procedimentos que especificam. A ASTM D8562-24, por exemplo, relata o comportamento de um agente de têmpera polimérico aquoso com uma sonda de prata em um ensaio sem agitação para aplicações com ligas de aço; ela não estabelece uma classificação universal em relação a todo óleo ou salmoura testado por outro método de sonda. O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media também relaciona o desempenho de resfriamento medido e os valores H de Grossmann às propriedades físicas utilizando o método de sonda da ISO/DIS 9950, demonstrando por que a viscosidade e a condutividade térmica são importantes, sem reduzir a severidade a qualquer uma dessas propriedades isoladamente.

A descrição defensável é, portanto, específica: nomear o meio, informar sua temperatura e concentração, identificar a configuração de agitação ou escoamento, indicar a sonda e a norma, e especificar o intervalo ou a curva de taxa de resfriamento em discussão. “A água é mais severa que o óleo” pode ser direcionalmente verdadeiro em uma comparação padronizada específica. Isso não constitui uma lei fixa da têmpera.

Como o aço se resfria durante a têmpera

Quando o aço austenitizado entra em contato com um agente de têmpera líquido, sua superfície não se resfria a uma taxa constante. A transferência de calor muda à medida que a temperatura da superfície cai, e o mecanismo controlador pode mudar em frações de segundo. O ASM Handbook, Volume 4F, Quenchants and Quenching Technology, da ASM International, divide o processo em três estágios principais: resfriamento por filme de vapor, ebulição nucleada e resfriamento convectivo. A revisão da ASTM Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review também trata a taxa de resfriamento como um resultado dependente da temperatura, decorrente da mudança dos mecanismos de transferência de calor e da cinética de molhamento.

Essa sequência é importante porque o histórico de temperatura na superfície do aço controla os produtos de transformação que se formam no interior da peça. O estudo Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels, publicado em 2022, relaciona a microestrutura do aço à taxa de remoção de calor na superfície e à taxa de resfriamento local, ambas dependentes do tipo de fluido refrigerante e da configuração do escoamento. Portanto, um agente de têmpera não possui uma única taxa de resfriamento constante em todo o intervalo de temperaturas.

Estágio de filme de vapor ou ebulição pelicular

No momento da imersão, a superfície do aço pode estar muito mais quente que a temperatura de ebulição do agente de têmpera. Um aço-carbono aquecido até a faixa de austenitização pode entrar em água, óleo ou uma solução polimérica aquosa com uma temperatura superficial bem superior a 700 °C. O líquido que toca essa superfície vaporiza rapidamente. Se a geração de vapor for suficientemente intensa, as bolhas se unem e formam uma camada de vapor contínua ou sem contínua ao redor do aço.

Essa camada costuma ser chamada de manto de vapor ou filme de vapor. Ela separa a maior parte do líquido do metal, reduzindo o contato direto entre líquido e sólido. O vapor tem condutividade térmica e densidade muito menores que as do líquido; por isso, o calor atravessa o filme com menor eficiência do que atravessaria por contato direto com o líquido. Consequentemente, a superfície do aço pode permanecer muito quente enquanto o agente de têmpera ao redor já está em ebulição.

A ebulição pelicular não significa que a transferência de calor cesse. A energia continua a se deslocar através do vapor por condução, radiação e movimento do vapor, mas a taxa é comparativamente limitada e pode variar ao longo da superfície. A geometria, a orientação, a condição superficial, a carepa, a rugosidade e o gás aprisionado afetam a continuidade do filme de vapor. Uma placa vertical, uma barra cilíndrica e uma pequena sonda de prata podem produzir comportamentos diferentes do vapor no mesmo líquido.

O filme também é instável. À medida que a temperatura da superfície diminui, a geração de vapor enfraquece. O líquido pode então penetrar em áreas finas do filme. Quando essas áreas colapsam, o líquido fresco entra em contato com o metal quente e evapora violentamente. Essa transição não é uma simples mudança que ocorre exatamente a uma única temperatura em toda a peça. Ela se desloca pela superfície à medida que as condições locais de molhamento mudam.

A agitação ou o escoamento direcionado podem perturbar e remover o filme de vapor, mas o resultado depende de como o fluido alcança a peça. Uma bomba, um jato, uma peça em rotação ou um sistema de circulação pode romper o filme em um local e, ao mesmo tempo, deixar uma região estagnada em outro. O estudo Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels enfatiza esse efeito local: dois sistemas que utilizam o mesmo agente de têmpera podem produzir taxas de resfriamento diferentes quando suas configurações de escoamento diferem.

Estágio de ebulição nucleada

Depois que começa o colapso do filme de vapor, o líquido alcança a superfície do aço em muitos pontos separados. A superfície permanece quente o suficiente para gerar bolhas de vapor, mas o líquido agora entra em contato direto com o metal entre as bolhas. Esse é o estágio de ebulição nucleada.

A transferência de calor se torna muito mais rápida porque o líquido molha repetidamente a superfície, absorve o calor latente e se desprende na forma de vapor. As bolhas se formam em sítios ativos de nucleação, crescem, se desprendem e são substituídas por líquido mais frio. A agitação aumenta a taxa de substituição e também pode remover as bolhas antes que elas se unam para formar uma camada persistente de vapor. As maiores taxas de resfriamento geralmente ocorrem durante esse estágio, embora o pico exato dependa do agente de têmpera, da sonda, da temperatura e do movimento do fluido.

A frase “a água resfria mais rapidamente que o óleo” é, portanto, incompleta. A água pode apresentar uma ebulição nucleada muito rápida sob um conjunto de condições, enquanto um óleo com viscosidade, temperatura ou padrão de circulação diferente pode produzir outra curva de resfriamento. A salmoura pode alterar o molhamento ao reduzir a persistência das bolhas de vapor na superfície do aço, frequentemente aumentando a severidade do resfriamento durante a parte de ebulição da curva. Polímeros aquosos podem formar uma camada-limite mais viscosa ou mais rica em polímero, alterando tanto o comportamento das bolhas quanto a substituição do líquido.

Cinética de molhabilidadeCinética de molhabilidade A taxa e a maneira pelas quais o líquido substitui o vapor e estabelece contato com uma superfície de aço quente durante a têmpera.

A cinética de molhamento é fundamental. A revisão da ASTM identifica o molhamento e os mecanismos de transferência de calor como razões pelas quais a taxa de resfriamento varia ao longo dos estágios da têmpera. Um líquido que molha rapidamente a superfície pode encerrar a ebulição pelicular antes de outro líquido à mesma temperatura global. A concentração, a contaminação, o gás dissolvido, o óxido superficial e a temperatura do agente de têmpera afetam esse comportamento. Assim, o mesmo agente de têmpera nominal pode produzir curvas de resfriamento diferentes quando sua concentração ou temperatura de operação muda.

[5][5] ISO 9950:1995. International Organization for Standardization. International Standard, 1995.

Os ensaios de curva de resfriamento medem essa resposta variável, em vez de atribuir uma propriedade universal ao líquido. A ASTM D8562-24 especifica um ensaio com sonda de prata, sem agitação, para agentes de têmpera poliméricos aquosos utilizados com ligas de aço. A ISO 9950:1995 especifica um ensaio com sonda de liga de níquel para determinar e classificar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas e sem agitação. O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM também identifica a ASTM D6200 para óleos de têmpera, a ASTM D6482 para agentes de têmpera poliméricos aquosos sob agitação e a ASTM D6549 para agentes de têmpera sob agitação. Os resultados desses métodos são comparáveis apenas dentro do método e das condições especificados.

Estágio de resfriamento convectivo

Quando a superfície do aço cai abaixo da temperatura necessária para a ebulição sustentada, as bolhas de vapor desaparecem em grande parte. O calor passa então do aço para o líquido por convecção, com condução através da camada-limite na interface metal-fluido. Esse é o estágio convectivo final.

O resfriamento é mais lento nessa etapa porque a grande contribuição da evaporação e do movimento das bolhas para a transferência de calor já terminou. A taxa depende fortemente das propriedades do líquido: condutividade térmica, viscosidade, densidade, calor específico e velocidade do escoamento. O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media relaciona o desempenho de resfriamento e os valores H de Grossmann a essas propriedades utilizando o método de sonda da ISO/DIS 9950. Uma viscosidade maior pode engrossar a camada-limite e restringir a substituição do fluido, enquanto uma circulação mais intensa pode afinar essa camada e aumentar a transferência de calor.

A temperatura da peça também é importante. O núcleo do aço pode permanecer muito mais quente que a superfície; portanto, a condução interna continua fornecendo calor à superfície durante a convecção. A espessura da seção, o formato, os cantos, os furos e o contato com dispositivos de fixação produzem diferenças locais. O aumento da temperatura do agente de têmpera ao redor de uma carga grande pode reduzir ainda mais a força motriz da transferência de calor.

A severidade de resfriamento medida deve ser diferenciada do tipo de agente de têmpera e do valor H de Grossmann. A escala convencional da NPTEL atribui à água sem agitação uma classificação arbitrária de severidade de 1,0. Os valores H de Grossmann típicos são aproximadamente 0,25–0,30 para óleo parado, 0,9–1,0 para água parada e cerca de 2 para soda cáustica ou salmoura paradas. Outros intervalos de referência indicam 2,0–5,0 para salmoura, 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente, 0,2–1,2 para soluções poliméricas aquosas e 0,25–0,80 para óleos de têmpera convencionais ou rápidos. Esses são intervalos de referência típicos, não constantes imutáveis dos materiais.

Um valor H resume a intensidade da têmpera para a análise de Grossmann; ele não substitui uma curva de resfriamento. O material e o tamanho da sonda, a agitação, a temperatura do fluido, o comportamento de molhamento e o intervalo de temperaturas medido afetam o resultado relatado. Uma comparação útil deve informar essas condições. Sem elas, dizer que a água, o óleo ou a salmoura ocupa uma posição fixa em uma classificação de severidade oculta o processo real de transferência de calor que determina o resfriamento do aço.

Água, Salmouras, Soluções Cáusticas e Meios de Têmpera Poliméricos Aquosos

Água e a escala de severidade de referência

A água é frequentemente tratada como o meio de têmpera de referência porque seu comportamento de resfriamento é conhecido, e sua severidade relativa tem sido utilizada há muito tempo em cálculos introdutórios de tratamentos térmicos. O NPTEL atribui à água sem agitação uma classificação arbitrária de severidade de têmpera igual a 1,0. A palavra arbitrária é importante: esse número é um ponto de referência, não uma constante do material nem uma garantia de que todo tanque de água resfriará o aço na mesma taxa.

Uma superfície de aço aquecida produz inicialmente um filme de vapor ao entrar na água. Esse filme separa temporariamente o metal do líquido e limita o fluxo de calor. À medida que a superfície esfria, o filme colapsa, a ebulição nucleada transfere calor rapidamente e, posteriormente, a convecção remove calor depois que a ebulição termina. A duração e a intensidade de cada estágio dependem da temperatura da superfície, da geometria, da orientação, da agitação, da temperatura da água, dos gases dissolvidos, da contaminação e da maneira como o líquido alcança a peça. Portanto, a taxa de resfriamento muda continuamente durante a têmpera, em vez de permanecer em um único valor fixo.

A classificação convencional — salmoura mais severa que água, água mais severa que óleo — pode ser útil como primeira aproximação, mas não deve ser confundida com uma ordenação universal das curvas de resfriamento medidas. Um grande fluxo de água em movimento pode remover calor de maneira diferente da de um tanque sem agitação. Uma seção rebaixada pode sofrer a formação de uma camada de vapor enquanto uma superfície exposta é intensamente resfriada. O estudo revisado por pares Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement relatou que a microestrutura do aço é governada pela taxa de remoção de calor na superfície e pela taxa de resfriamento local, ambas controladas pelo tipo de fluido de resfriamento e pela configuração do escoamento. Assim, o mesmo meio de têmpera nominal pode produzir diferentes distribuições de martensita, bainita ou perlita quando a configuração do escoamento é alterada.

A análise de Grossmann expressa a intensidade da têmpera por meio do valor H, que é distinto de uma simples classificação baseada na água como referência e também distinto de um resultado de curva de resfriamento obtido com uma sonda. As referências de engenharia fornecidas indicam valores típicos de aproximadamente 0,25–0,30 para óleo sem agitação, 0,9–1,0 para água sem agitação e 2 para soda cáustica ou salmoura sem agitação. Uma referência mais abrangente indica 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente. Esses valores descrevem faixas normalmente citadas sob determinadas premissas; não são propriedades imutáveis da “água”. A temperatura, a circulação, o projeto do tanque, a carga de peças e a molhabilidade podem deslocar o resultado medido para fora de um valor familiar de livro-texto.

As normas de ensaio tornam essa limitação mais clara. A ISO 9950:1995 especifica um método com sonda de liga de níquel para determinar e classificar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas e sem agitação. A ASTM International identifica a ASTM D6200 para óleos de têmpera, a ASTM D6482 para meios de têmpera poliméricos aquosos sob agitação, a ASTM D6549 para meios de têmpera sob agitação e a ASTM D8562 para meios de têmpera poliméricos aquosos ensaiados com uma sonda de prata. O resultado corresponde à sonda, à temperatura, à agitação e ao procedimento utilizados. Ele não cria uma classificação permanente aplicável a todos os componentes de aço.

Efeitos da salmoura e das soluções cáusticas

A salmoura é água contendo sal dissolvido, comumente um cloreto inorgânico, embora o sal específico e a concentração devam ser informados antes que seu comportamento de resfriamento possa ser avaliado. Os íons dissolvidos alteram o comportamento de ebulição do líquido, suas propriedades elétricas e térmicas e sua interação com a superfície de aço aquecida. Em muitas aplicações de têmpera, a salmoura rompe ou desestabiliza o filme de vapor persistente que pode se formar ao redor de uma peça quente. Assim, uma parcela maior da superfície entra em contato direto com o líquido mais cedo, reduzindo a duração do estágio de ebulição em filme e aumentando a extração de calor durante a fase inicial da têmpera.

Essa alteração explica por que a salmoura é convencionalmente classificada como mais severa que a água sem agitação. As referências de Grossmann fornecidas indicam valores H típicos de aproximadamente 2,0–5,0 para salmouras, enquanto o valor convencional mais restrito para salmoura sem agitação é de cerca de 2. A faixa é ampla por uma razão. A identidade do sal, a concentração, a temperatura da solução, a agitação, a condição da superfície e a geometria da peça afetam a molhabilidade e a ebulição. Um tanque de salmoura com circulação fraca não produz necessariamente a mesma curva de resfriamento que um tanque com a mesma composição nominal e agitação intensa.

Uma maior remoção de calor no início pode reduzir o tempo disponível para transformações difusionais no aço austenitizado e promover a formação de martensita quando a temperabilidade permitir. Ela também pode aumentar os gradientes térmicos, as tensões residuais, a distorção e as trincas de têmpera. O risco resultante depende do grau do aço, do tamanho da seção, do teor de carbono, do tamanho de grão da austenita prévia e das restrições mecânicas. Por exemplo, um aço-liga como o AISI 4140 não responde à têmpera em salmoura da mesma maneira que um aço-carbono comum como o AISI 1045, mesmo quando ambos são temperados a partir de temperaturas de austenitização comparáveis.

As soluções cáusticas, frequentemente à base de hidróxido de sódio, também estão associadas a uma elevada severidade de têmpera. O valor de referência de aproximadamente 2 para soda cáustica ou salmoura sem agitação deve ser interpretado como uma comparação típica de Grossmann, e não como um valor universal para toda solução alcalina. As adições cáusticas podem alterar a molhabilidade e a estabilidade do filme de vapor, mas a direção e a magnitude da alteração dependem da formulação e das condições de operação. A concentração, isoladamente, não especifica o resultado da transferência de calor.

Os três estágios de resfriamento continuam sendo importantes tanto em salmouras quanto em soluções cáusticas. Uma solução pode produzir um período mais curto de filme de vapor e, ainda assim, apresentar um pico diferente de ebulição nucleada, enquanto seu estágio de convecção pode ser afetado pela viscosidade, pela densidade e pelo movimento no tanque. A análise da ASTM Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review enfatiza que a taxa de resfriamento varia ao longo desses estágios distintos e depende da cinética de molhabilidade e dos mecanismos de transferência de calor. Um único valor H não consegue mostrar todas as características dessa curva.

Concentração de polímero e comportamento de resfriamento

Os meios de têmpera poliméricos aquosos substituem parte da resposta simples de ebulição da água por um líquido cujo comportamento muda de acordo com o tipo de polímero, a estrutura molecular, a concentração, a temperatura e o histórico de degradação. O polímero pode aumentar a viscosidade e modificar o filme líquido na superfície do aço. Ele também pode alterar a molhabilidade, a persistência do filme de vapor, a formação de bolhas e a transição da ebulição para a convecção. Esses efeitos estão interligados: uma camada-limite mais espessa ou mais viscosa pode dificultar o movimento do fluido, enquanto uma alteração no filme superficial pode modificar o momento em que ocorre o contato direto com o líquido.

Por isso, as soluções poliméricas não podem receber uma única severidade fixa simplesmente com base na palavra “polímero”. A faixa de Grossmann fornecida é de aproximadamente 0,2–1,2 para soluções poliméricas aquosas. Essa faixa se sobrepõe parcialmente às faixas usuais de óleo e água. Trata-se de uma faixa de referência típica, não de um intervalo universal para todo polímero, concentração, temperatura ou configuração de escoamento. O aumento da concentração pode elevar a viscosidade e modificar a formação do filme, mas a curva de resfriamento resultante não pode ser prevista com segurança apenas a partir da concentração, sem uma formulação e um ensaio definidos.

A ASTM D8562-24 especifica um ensaio de taxa de resfriamento com sonda de prata, sem agitação, para meios de têmpera poliméricos aquosos utilizados com ligas de aço. Seus dados de tempo e temperatura podem apoiar a comparação ou a seleção do meio de têmpera segundo o método especificado. O resultado continua sendo um resultado de ensaio obtido sob condições sem agitação, e não uma classificação universal da solução em todo tanque de produção. Para sistemas sob agitação, a ASTM D6482 e a ASTM D6549 abordam diferentes configurações de ensaio, tornando explícita a distinção entre o tipo de meio de têmpera e a severidade medida.

O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media relaciona o desempenho de resfriamento medido e os valores H de Grossmann à condutividade térmica e à viscosidade, utilizando o método de sonda da ISO/DIS 9950. Essas propriedades ajudam a explicar o comportamento, mas nenhuma delas, isoladamente, determina a curva completa de têmpera. A cinética de molhabilidade e o escoamento podem dominar os primeiros segundos do resfriamento, enquanto a convecção e a viscosidade se tornam mais influentes posteriormente.

Por essa razão, o controle da concentração deve ser combinado com o controle da temperatura, o controle da agitação e verificações da curva de resfriamento. Um banho polimérico cuja concentração tenha se alterado ou que tenha sofrido degradação térmica pode não corresponder mais ao seu resultado de ensaio original. A especificação significativa não é “água”, “salmoura” ou “polímero” isoladamente; é a composição do meio de têmpera juntamente com sua temperatura, seu movimento, o método de ensaio com sonda e seu comportamento de resfriamento medido.

Óleos de Têmpera e Suas Características de Resfriamento

O óleo de têmpera não é um único meio de resfriamento com uma taxa de resfriamento padrão. A palavra óleo identifica a classe química ampla do banho, não sua severidade de têmpera. Dois óleos podem produzir curvas de resfriamento diferentes porque suas bases, aditivos, viscosidade, estado de oxidação, temperatura e agitação diferem. Até mesmo o mesmo banho pode apresentar resultados diferentes quando a peça entra em outra temperatura ou quando bombas, hélices ou bicos de circulação alteram o fluxo ao redor de sua superfície.

Essa distinção é importante porque as propriedades do aço dependem do histórico local de resfriamento. O estudo Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement (2022) relaciona a microestrutura do aço à taxa de remoção de calor na superfície e à taxa local de resfriamento no interior da peça. O tipo de fluido de resfriamento é apenas um dos controles. A disposição do fluxo é outro.

Classificação industrial dos óleos de têmpera

O ASM Handbook, Volume 4F, Quenchants and Quenching Technology, da ASM International, trata dos óleos de têmpera com base em sua composição, faixa de operação pretendida e comportamento de resfriamento medido, e não como um único ponto fixo em uma escala universal de severidade. As classificações industriais geralmente distinguem óleos convencionais ou de velocidade normal, óleos acelerados ou rápidos e óleos de têmpera a quente. Esses grupos descrevem diferenças práticas de formulação e operação, mas não eliminam a necessidade de um ensaio de curva de resfriamento.

Os óleos convencionais são, em geral, fluidos à base de óleo mineral formulados para a têmpera por imersão convencional. Os óleos acelerados contêm aditivos destinados a aumentar a extração de calor, frequentemente alterando o molhamento, o comportamento do filme de vapor ou os estágios posteriores do resfriamento em fase líquida. Os óleos quentes operam em temperaturas elevadas do banho para reduzir a distorção e o choque térmico; sua temperatura mais alta também pode reduzir a viscosidade e alterar a curva de resfriamento. Portanto, o nome da categoria fornece informações úteis sobre o processo, mas não oferece uma severidade de resfriamento numérica.

Na prática, o estado do óleo faz parte da classificação. A oxidação, a contaminação por água ou produtos químicos de limpeza, a formação de lodo e o esgotamento dos aditivos podem alterar o molhamento e a transferência de calor. Um óleo novo e um óleo envelhecido da mesma classe nominal de produto podem não resfriar uma sonda da mesma maneira. A temperatura real do banho e o estado de circulação devem ser registrados juntamente com a descrição do fluido.

A ISO 9950:1995 fornece um método definido para determinar e classificar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera. O método utiliza uma sonda de liga de níquel em condições padronizadas sem agitação. Essa qualificação é essencial: o resultado é uma classificação nas condições do ensaio da ISO, e não uma classificação permanente de cada óleo em qualquer forno ou tanque. A ASTM International identifica a ASTM D6200 como um método de obtenção de curvas de resfriamento de óleos de têmpera, juntamente com a ASTM D6482 para polímeros aquosos de têmpera sob agitação e a ASTM D6549 para fluidos de têmpera sob agitação. Os métodos respondem a perguntas relacionadas, mas sob condições de ensaio diferentes.

A análise de Grossmann fornece outra forma de descrição. Seu valor H representa a intensidade da têmpera em um modelo de transferência de calor, e não uma constante química do fluido. Os valores de referência frequentemente citados são aproximadamente 0,25–0,30 para óleo sem agitação, 0,9–1,0 para água sem agitação e cerca de 2 para soda cáustica ou salmoura sem agitação. Faixas típicas mais amplas situam os óleos de têmpera convencionais ou rápidos em aproximadamente 0,25–0,80, embora os valores relatados possam se estender por cerca de 0,2–1,2, dependendo do óleo e da condição de operação. Para comparação, as faixas típicas são de aproximadamente 2,0–5,0 para salmoura, 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente e 0,2–1,2 para soluções aquosas de polímeros.

Esses valores não devem ser interpretados como constantes materiais imutáveis. O NPTEL atribui à água sem agitação uma classificação arbitrária de severidade relativa de têmpera igual a 1,0, ilustrando que essas escalas são convenções comparativas. Um valor H obtido para um determinado banho, método de sonda, estado de agitação e temperatura não deve ser transferido de forma acrítica para outra configuração.

Comportamento do óleo sem agitação e sob agitação

A imersão em óleo sem agitação produz vários estágios de transferência de calor. Imediatamente após o aço quente entrar no banho, o óleo ao redor pode vaporizar e formar uma manta de vapor. Esse filme separa a superfície do óleo líquido e limita a transferência de calor. O filme acaba colapsando à medida que a superfície esfria ou que o movimento do fluido o desestabiliza. Em seguida, pode ocorrer ebulição nucleada ou formação vigorosa de vapor em nível local, seguida de resfriamento em fase líquida monofásica após a temperatura da superfície cair abaixo da faixa de ebulição relevante para o banho.

A taxa de resfriamento muda substancialmente de um estágio para outro. A revisão da ASTM, Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review, enfatiza que uma única taxa média de resfriamento não pode representar esses mecanismos distintos. A temperatura na qual o filme de vapor colapsa, a duração da ebulição e a taxa do resfriamento posterior em fase líquida afetam o percurso térmico do aço.

A agitação altera cada um desses eventos. O óleo em movimento remove o fluido quente da peça, fornece líquido mais frio à superfície e pode romper ou tornar mais fina a manta de vapor. Também reduz a camada-limite através da qual o calor precisa passar. A curva de resfriamento resultante pode apresentar uma taxa máxima de resfriamento mais alta e um estágio de vapor mais curto do que o mesmo óleo ensaiado sem movimento. Porém, “sob agitação” não representa uma única condição. A circulação no tanque, o movimento da peça, o fluxo do impelidor, os jatos de bomba e a pulverização direcionada criam diferentes campos de velocidade. Uma peça grande pode proteger outra, e cantos, furos e vãos estreitos podem receber menos fluxo do que as faces expostas.

A direção do fluxo é especialmente importante no controle da distorção. Se um lado de um anel ou engrenagem receber uma circulação mais intensa, esse lado poderá resfriar e contrair mais cedo. A diferença local na extração de calor pode produzir alteração de forma mesmo quando a temperatura média do banho é uniforme. Por esse motivo, uma curva de resfriamento obtida com uma sonda de laboratório não pode, por si só, prever o comportamento em todos os pontos de um componente de aço complexo.

O método da sonda também limita as comparações. A ISO 9950:1995 é deliberadamente realizada sem agitação e utiliza uma sonda de liga de níquel. Já a ASTM D8562-24 especifica um ensaio de taxa de resfriamento, sem agitação, com sonda de prata, para polímeros aquosos de têmpera utilizados com ligas de aço. O material e a geometria da sonda, a posição do termopar, a agitação, o volume do banho e o procedimento de tratamento dos dados afetam o resultado relatado. Um valor obtido por um método não é automaticamente intercambiável com um valor obtido por outro.

Viscosidade, condutividade térmica e transferência de calor

A viscosidade afeta a facilidade com que o óleo se movimenta ao redor do aço e a espessura da camada-limite de fluido que se desenvolve na superfície. Uma viscosidade mais alta geralmente aumenta a resistência ao movimento, de modo que a convecção natural é mais fraca e o fluxo forçado exige mais energia de bombeamento. Ela também pode deixar uma camada mais espessa e de movimento mais lento junto à peça. À medida que a temperatura do banho aumenta, a viscosidade geralmente diminui, o que favorece a circulação e pode alterar a transição do resfriamento por filme de vapor para a convecção líquida. Essa é uma das razões pelas quais um óleo quente pode se comportar de maneira muito diferente do mesmo óleo à temperatura ambiente.

A condutividade térmica determina com que facilidade o calor atravessa a camada de óleo quando o fluido está em contato com a superfície. Uma condutividade mais alta favorece uma condução mais rápida para longe do aço, mas a condutividade, sozinha, não determina a severidade do resfriamento. Um fluido altamente condutivo que quase não se movimenta pode remover calor com menos eficiência do que um fluido menos condutivo com circulação intensa. Densidade, capacidade térmica, viscosidade, molhamento, formação de vapor e velocidade do fluxo atuam em conjunto.

O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media relaciona o desempenho de resfriamento medido e os valores H de Grossmann à condutividade térmica e à viscosidade, utilizando o método da sonda ISO/DIS 9950. Sua importância não está em afirmar que uma única propriedade pode classificar todos os óleos. O estudo mostra, ao contrário, por que os dados de propriedades físicas ajudam a explicar as curvas de resfriamento: a viscosidade influencia o movimento do fluido e o transporte através da camada-limite, enquanto a condutividade térmica influencia a condução de calor através do fluido. O valor H medido continua sendo um resultado do sistema completo de transferência de calor.

O molhamento acrescenta outra limitação às previsões baseadas apenas em propriedades. Um óleo com viscosidade e condutividade favoráveis ainda pode formar uma camada de vapor persistente sobre uma superfície com molhamento deficiente. Os aditivos podem alterar a tensão superficial e a cinética de molhamento, enquanto a contaminação pode alterá-las novamente. Portanto, a mesma viscosidade nominal medida em um copo de laboratório não garante o mesmo desempenho de têmpera após oxidação, diluição ou serviço prolongado.

Consequentemente, a seleção do óleo e o controle do processo devem especificar a temperatura do banho, a configuração da circulação, o método da sonda e a curva de aceitação juntamente com a classificação do óleo. Intervalos de tempo de resfriamento, taxa máxima de resfriamento e temperaturas características são mais informativos do que o rótulo “óleo”. O comportamento medido é a evidência transferível; o nome do fluido é apenas a descrição inicial.

Agitação, Arranjo do Escoamento e Geometria da Peça

A severidade de têmpera não é uma classificação permanente atribuída a um líquido. Ela é uma resposta medida produzida por um meio de têmpera sob determinadas condições térmicas e de escoamento do fluido. O mesmo óleo, solução aquosa ou salmoura pode remover calor a taxas diferentes quando o líquido está parado, é agitado, bombeado através de um tanque, pulverizado por um bocal ou direcionado para apenas uma face de um componente. A forma da peça acrescenta outra variável: uma sonda plana de prata, um eixo forjado e uma placa perfurada não expõem o refrigerante ao mesmo campo de escoamento.

O ASM Handbook, Volume 4F, Quenchants and Quenching Technology, da ASM International, separa o tipo de meio de têmpera, o comportamento de resfriamento e a severidade de têmpera por esse motivo. A análise de Grossmann expressa a intensidade de têmpera como um valor H, mas H não é uma constante do material. Os valores de referência típicos são aproximadamente 0,25–0,30 para óleo parado, 0,9–1,0 para água parada e aproximadamente 2 para soda cáustica ou salmoura paradas. Tabelas mais abrangentes apresentam valores de 2,0–5,0 para salmoura, 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente, 0,2–1,2 para soluções aquosas de polímeros e 0,25–0,80 para óleos de têmpera convencionais ou rápidos. Essas faixas descrevem condições e correlações específicas, não classificações imutáveis. A agitação, a temperatura, a concentração, a contaminação, o molhamento e a geometria podem alterar substancialmente o resultado medido.

Ensaios com e sem agitação

Um ensaio com sonda sem agitação fornece uma referência controlada, não uma resposta universal para uma carga de produção. A ISO 9950:1995 utiliza uma sonda de liga de níquel para determinar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas e sem agitação. A ASTM D8562-24 especifica um ensaio, sem agitação, da taxa de resfriamento com sonda de prata para meios de têmpera poliméricos aquosos utilizados com ligas de aço. Em ambos os casos, a sonda, o banho, a orientação, o histórico de temperatura e o procedimento definem o resultado. Portanto, uma curva de resfriamento pode permitir a comparação entre amostras ensaiadas pelo mesmo método, embora ainda não consiga prever o comportamento em todos os pontos de uma peça em movimento e densamente carregada.

A distinção é importante porque a agitação altera a camada-limite do líquido e a estabilidade do vapor junto à superfície quente. Durante a têmpera por imersão, a transferência de calor passa por estágios reconhecíveis: um estágio inicial de filme de vapor, um estágio de ebulição nucleada e um estágio convectivo após a temperatura da superfície cair abaixo da faixa que sustenta uma ebulição intensa. A revisão da ASTM Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review descreve a taxa de resfriamento como variável ao longo desses estágios, em vez de permanecer constante. A agitação pode encurtar ou interromper o estágio de filme de vapor, aumentar a renovação do líquido na superfície e elevar o coeficiente local de transferência de calor. Ela também pode tornar o resfriamento menos uniforme se o escoamento alcançar uma face mais diretamente do que outra.

O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM International identifica procedimentos diferentes para condições diferentes. Entre os métodos listados estão a ASTM D6200 para óleos de têmpera, a ASTM D6482 para meios de têmpera poliméricos aquosos agitados, a ASTM D6549 para meios de têmpera agitados e a ASTM D8562 para meios de têmpera poliméricos aquosos ensaiados com uma sonda de prata. A palavra “agitado” na designação de um método não é um detalhe procedimental secundário. Ela altera o ambiente hidrodinâmico que está sendo medido. Comparar um resultado sem agitação da D8562 com um ensaio de polímero agitado e, em seguida, tratar os dois valores como uma única escala fixa confunde a configuração do ensaio com a identidade do meio de têmpera.

Um banho parado pode apresentar um estágio de vapor prolongado e uma taxa máxima de resfriamento menor, enquanto o bombeamento ou a agitação mecânica podem colapsar bolsas de vapor e aumentar o resfriamento durante a ebulição nucleada. A agitação excessiva não faz simplesmente com que todos os pontos resfriem à mesma taxa mais elevada. Vórtices, zonas de recirculação e zonas mortas podem produzir diferenças locais. A taxa máxima de resfriamento de uma sonda pode aumentar enquanto outra superfície do componente permanece parcialmente protegida do líquido em movimento.

O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media, que utilizou o método de ensaio com sonda da ISO/DIS 9950, relaciona o desempenho de resfriamento medido e os valores H de Grossmann à condutividade térmica e à viscosidade. Essas propriedades ajudam a explicar as tendências, mas não substituem uma condição de escoamento especificada. A cinética de molhamento e o comportamento da ebulição continuam sendo decisivos, especialmente durante a parte de alta temperatura da curva de resfriamento.

Têmpera por jato, por imersão e por escoamento direcional

A têmpera por imersão e a têmpera por jato impõem condições de contorno diferentes. Na imersão, o componente entra em um líquido circundante e desenvolve um campo de escoamento resultante da flutuabilidade, do movimento do vapor, do movimento da peça e de qualquer circulação imposta. Na têmpera por jato, um bocal fornece líquido com velocidade e direção definidas. O jato pode atingir uma face ampla, entrar em um furo, atravessar uma abertura ou incidir sobre uma zona selecionada. A remoção de calor da superfície depende, então, do local de impacto, do diâmetro do jato, do espaçamento, do ângulo, da pressão e da capacidade de escape do líquido já aquecido e do vapor.

O estudo revisado por pares de 2022, Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement, estabelece diretamente que a microestrutura do aço é governada pela taxa de remoção de calor da superfície e pela taxa local de resfriamento, controladas pelo tipo de refrigerante e pelo arranjo do escoamento. Essa constatação rejeita a suposição conveniente de que um meio de têmpera possui uma única taxa de resfriamento para toda a peça. Duas regiões constituídas do mesmo aço e resfriadas no mesmo tanque podem seguir trajetórias térmicas diferentes se uma região estiver voltada para uma corrente intensa e a outra estiver situada na zona de sombra de uma recirculação.

O escoamento direcional também pode criar assimetria térmica. Um jato que atinge um lado de uma placa pode produzir um gradiente acentuado de temperatura através da espessura e um gradiente diferente ao longo da superfície. Um eixo em rotação pode reduzir essa assimetria ao fazer com que toda a circunferência passe pelo escoamento, embora a rotação introduza sua própria camada-limite variável. O escoamento transversal através de um suporte com várias peças pode ser eficaz nas superfícies expostas, mas fraco entre componentes muito próximos. Portanto, o arranjo do escoamento deve constar do registro do processo juntamente com a temperatura do banho e a concentração do meio de têmpera.

A consequência metalúrgica prática é direta. Se uma região resfriar suficientemente rápido para suprimir a transformação difusional enquanto outra atravessa mais lentamente a faixa de transformação, as frações resultantes de martensita, bainita, perlita ou ferrita podem ser diferentes. A dureza, a tensão residual, a distorção e o risco de trincas acompanham essas diferenças locais. Uma curva de resfriamento obtida em uma única posição da sonda não pode comprovar um resfriamento uniforme em toda uma carga complexa.

Sombreamento, aprisionamento de vapor e espessura da seção

A geometria controla o acesso ao líquido. Um furo pode aprisionar vapor durante a imersão, especialmente quando seu eixo e o caminho de escape se opõem ao escoamento. Uma reentrância pode reter uma camada de gás quente ou vapor depois que a superfície plana ao redor já entrou em ebulição nucleada. Os cantos alteram o desenvolvimento da camada-limite e podem sofrer um escoamento concentrado, enquanto regiões adjacentes confinadas recebem pouca renovação de líquido. Esses efeitos são geralmente descritos como sombreamento ou aprisionamento de vapor, mas constituem problemas de transferência de calor, e não meramente defeitos visuais da circulação.

A orientação de uma peça pode determinar se o vapor é drenado ou permanece aderido. Uma cavidade voltada para baixo pode reter uma camada de vapor estável; girar o componente ou alterar a direção do jato pode expor essa mesma superfície ao líquido muito mais cedo. Um furo passante pode resfriar-se de forma diferente de um furo cego porque o vapor e o líquido têm diferentes caminhos de escape. Peças muito próximas podem sombrear umas às outras, reduzindo o escoamento local e alterando a severidade aparente experimentada pelas peças internas, mesmo quando a vazão da bomba do tanque permanece inalterada.

A espessura da seção acrescenta armazenamento térmico. Uma flange fina pode aproximar-se rapidamente da temperatura do meio de têmpera, enquanto o núcleo de um ressalto espesso permanece quente e continua fornecendo calor à sua superfície. Assim, a superfície pode atravessar a ebulição em filme, a ebulição nucleada e a convecção enquanto o centro ainda está próximo da temperatura de austenitização. Em uma seção espessa, a taxa local de resfriamento não é apenas uma função do coeficiente externo de transferência de calor; ela também reflete a condução de calor proveniente do interior. Cantos, furos e transições entre seções finas e espessas intensificam essas diferenças.

Por esse motivo, o resultado obtido com uma sonda padronizada deve ser tratado como um indicador controlado do desempenho relativo sob o método especificado. Ele não deve ser convertido automaticamente em uma classificação universal entre óleo e água nem aplicado sem alterações a todas as geometrias. A questão relevante não é simplesmente se um meio é denominado óleo, água, polímero ou salmoura. A questão é como o refrigerante especificado, o arranjo do escoamento, o comportamento de molhamento, a orientação da peça e a geometria da seção removem calor no local que controla a transformação do aço.

Valor H de Grossmann e o significado da severidade da têmpera

O valor H como representação da transferência de calor

O método de Grossmann atribui uma forma numérica à intensidade da têmpera por meio do valor H. Ele não estabelece uma classificação intrínseca para água, óleo ou salmoura. Em vez disso, representa a eficácia com que uma determinada operação de têmpera remove calor da superfície do aço e o transfere para o meio de têmpera.

No tratamento clássico, o valor H está relacionado ao coeficiente de transferência de calor superficial, $h$, e à condutividade térmica do aço, $k$, geralmente expressos como:

$$H=\frac{h}{k}$$

O valor é frequentemente informado em unidades de comprimento inverso, como ${\text{cm}}^{-1}$, dependendo do gráfico ou sistema de referência utilizado. Um valor H mais alto indica uma condição de contorno mais intensa: o calor deixa a superfície do aço mais rapidamente em relação à capacidade do aço de conduzir calor internamente. Um valor mais baixo representa um contorno térmico menos severo.

Essa distinção é importante porque a têmpera não é controlada apenas pela transferência de calor superficial. A superfície esfria primeiro, enquanto o centro de uma barra ou placa permanece quente. O calor precisa se deslocar do interior em direção à superfície antes de entrar no meio de têmpera. A análise de Grossmann combina o valor H do lado do meio de têmpera com a temperabilidade do aço e a geometria da seção para estimar quanto da seção pode se transformar em martensita.

O método de Grossmann geralmente utiliza o diâmetro crítico ideal, $D_I$, como medida da temperabilidade do aço. O diâmetro crítico ideal descreve o tamanho de uma barra redonda que desenvolveria uma resposta de transformação especificada sob uma têmpera de severidade infinita, na qual se considera que a superfície atinge a temperatura do meio de têmpera sem uma resistência interfacial apreciável. O diâmetro crítico real depende tanto de $D_I$ quanto de H. Portanto, o mesmo aço pode produzir perfis de dureza muito diferentes quando temperado em óleo sem agitação, óleo agitado, água ou salmoura.

Um valor H elevado não significa automaticamente que todos os pontos de um componente esfriarão rapidamente o suficiente para formar martensita. Isso significa que o contorno superficial remove calor de maneira eficaz. Uma seção espessa ainda pode resfriar lentamente no centro devido à distância que o calor precisa percorrer. Uma seção fina de um aço com temperabilidade moderada pode endurecer completamente em um meio de têmpera de menor severidade, enquanto uma seção pesada do mesmo grau pode conservar ferrita, perlita ou bainita em seu núcleo.

Assim, o método funciona como uma ponte entre os dados de temperabilidade e as condições do processo. Ele ajuda a interpretar a resposta do aço, em vez de substituir uma curva de resfriamento, um perfil de dureza ou um ensaio de validação da produção.

O número também não deve ser confundido com a taxa de resfriamento em uma única temperatura. A têmpera passa por vários estágios de transferência de calor. Durante o estágio inicial de filme de vapor, uma camada estável de vapor pode isolar a superfície e limitar o fluxo de calor. A ebulição nucleada começa quando o filme colapsa; o líquido entra em contato intermitente com o aço quente, e a extração de calor pode se tornar muito rápida. Em temperaturas mais baixas, a ebulição diminui e a convecção controla o resfriamento restante. A revisão de 2024 da ASTM International, Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review, enfatiza que a taxa de resfriamento se altera ao longo desses estágios distintos. Um único valor H comprime esse comportamento variável em uma representação de engenharia.

Faixas de referência típicas

Valores de referência de Grossmann frequentemente citados atribuem ao óleo sem agitação aproximadamente 0,25–0,30, à água sem agitação 0,9–1,0 e à soda cáustica ou salmoura sem agitação cerca de 2. Esses valores são úteis para mostrar a ordem de grandeza convencional, mas não são classificações fixas atribuídas permanentemente a categorias químicas.

Faixas de referência mais amplas mostram por que um único número para cada família de meios de têmpera pode induzir a erro. Valores H típicos são informados como aproximadamente 2,0–5,0 para salmoura, 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente, 0,2–1,2 para soluções aquosas de polímeros e 0,25–0,80 para óleos de têmpera convencionais ou rápidos. A sobreposição é significativa. Um óleo de têmpera rápida pode se aproximar do limite inferior de um sistema aquoso sob determinada condição, enquanto uma solução polimérica pode produzir uma severidade próxima à da água ou do óleo, dependendo da concentração, da temperatura e da agitação.

O tratamento da NPTEL de 2024 atribui à água sem agitação uma classificação arbitrária de severidade relativa igual a 1,0. O termo “arbitrária” é importante: o número fornece uma escala de referência, não uma unidade fundamental de intensidade de têmpera. Ele permite comparar outras condições com uma linha de base definida. Isso não significa que todos os banhos de água sem agitação produzam exatamente a mesma curva de resfriamento ou a mesma microestrutura no aço.

A salmoura pode apresentar severidade aparente maior que a água porque os sais dissolvidos alteram a molhabilidade e desestabilizam a formação do filme de vapor. Ainda assim, a concentração de sal, a temperatura do banho, a contaminação, a condição superficial da peça e o movimento através do banho afetam o resultado. As soluções de soda cáustica também podem produzir resfriamento intenso porque seu comportamento de molhabilidade difere do da água pura. O rótulo químico, por si só, não pode determinar o valor H.

O óleo introduz outro conjunto de variáveis. A viscosidade, a condutividade térmica, a composição dos aditivos, a oxidação, a contaminação e a temperatura do banho afetam os estágios de vapor, ebulição e convecção. Um óleo classificado como óleo de têmpera rápida em um ensaio pode apresentar um resultado significativamente diferente após uso prolongado ou sob uma configuração de fluxo distinta. As soluções aquosas de polímeros são ainda mais sensíveis à concentração, ao tipo de polímero, à degradação e ao movimento da solução. Suas curvas de resfriamento podem se alterar substancialmente à medida que o depósito de polímero na superfície do aço se modifica.

Por que o valor H não é uma constante universal do material

Um valor H está associado a uma condição definida de ensaio ou processo, e não apenas ao nome do meio de têmpera. Ele depende da agitação ou do fluxo, da geometria da sonda, do material da sonda, da condição superficial, da temperatura do banho, do tamanho da carga, da orientação e do método utilizado para calcular ou informar o resultado. O valor medido também pode depender da parte da curva de resfriamento que recebe maior ênfase.

Por isso, as normas de curva de resfriamento devem ser identificadas juntamente com seus resultados. A ISO 9950:1995 especifica um método com sonda de liga de níquel para determinar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas sem agitação. A ASTM D8562-24 especifica um ensaio de taxa de resfriamento com sonda de prata, sem agitação, para meios aquosos poliméricos de têmpera utilizados com ligas de aço. O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM relaciona a ASTM D6200 para óleos de têmpera, a ASTM D6482 para meios aquosos poliméricos de têmpera agitados, a ASTM D6549 para meios de têmpera agitados e a ASTM D8562 para meios aquosos poliméricos de têmpera ensaiados com uma sonda de prata.

Esses métodos podem apoiar comparações, mas seus valores não devem ser transferidos entre sistemas diferentes sem as devidas ressalvas. Uma sonda de prata em um banho de polímero sem agitação não reproduz uma peça forjada de aço movimentando-se em um tanque de produção agitado. Uma sonda de liga de níquel destinada à comparação de óleos não fornece um valor H direto para uma operação com salmoura. As propriedades térmicas, as dimensões, o acabamento superficial e o histórico de temperatura da sonda influenciam a curva de resfriamento medida.

A diferença entre a severidade de resfriamento medida e o valor H de Grossmann deve permanecer clara. Um ensaio de curva de resfriamento registra a temperatura em função do tempo em uma determinada posição da sonda. A análise de Grossmann utiliza uma representação efetiva da transferência de calor para relacionar o contorno de têmpera à temperabilidade do aço e à resposta da seção. Uma curva de resfriamento pode ser convertida em uma severidade estimada para uma finalidade analítica específica, mas essa conversão contém pressupostos.

O estudo revisado por pares de 2022, Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement, evidencia diretamente a consequência no processo: a microestrutura do aço depende da taxa de remoção de calor na superfície e da taxa de resfriamento local, ambas controladas pelo tipo de fluido de resfriamento e pela configuração do fluxo. O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media também relaciona o desempenho de resfriamento medido e os valores H de Grossmann à condutividade térmica e à viscosidade do líquido, utilizando o método de sonda da ISO/DIS 9950.

Consequentemente, os valores H são mais úteis quando informados juntamente com as condições que os produziram. “Óleo, H = 0,3” é uma informação incompleta. Uma afirmação tecnicamente significativa identifica o óleo, a temperatura do banho, a condição de agitação, o método com sonda ou peça de trabalho e a base de cálculo. Sem essas informações, o valor é apenas uma referência aproximada. A análise de Grossmann continua valiosa precisamente quando tratada como um modelo de um contorno de têmpera específico — e não como uma constante universal do material ou uma classificação permanente dos meios de têmpera.

Ensaios de Curva de Resfriamento e Métodos com Sonda

Dados de tempo-temperatura e curvas de resfriamento

Um ensaio de curva de resfriamento registra a temperatura de uma sonda aquecida à medida que ela esfria em um meio de têmpera. O resultado é um conjunto de dados de tempo-temperatura, geralmente representado graficamente com o tempo no eixo horizontal e a temperatura da sonda no eixo vertical. A curva mostra a rapidez com que o calor deixa a sonda em cada temperatura, enquanto sua derivada, $\mathrm{dT}/\mathrm{dt}$, fornece a taxa instantânea de resfriamento. Uma seção íngreme indica perda rápida de temperatura; uma seção mais suave indica transferência de calor mais lenta.

A inclinação não é constante porque a têmpera não envolve um único mecanismo de transferência de calor do início ao fim. Quando uma sonda quente entra em um líquido, uma manta de vapor pode se formar ao redor de sua superfície. Esse estágio de ebulição em filme separa a sonda do líquido e frequentemente produz uma taxa de resfriamento comparativamente baixa ou moderada. À medida que o filme de vapor colapsa, o líquido entra em contato com a superfície de forma intermitente ou contínua. A ebulição nucleada pode então remover calor muito rapidamente, produzindo a parte mais íngreme da curva. Em temperaturas mais baixas, a ebulição diminui e a convecção se torna o principal mecanismo; por isso, a curva geralmente volta a se tornar mais plana.

As transições exatas dependem do meio de têmpera, da superfície da sonda, da temperatura, da agitação, da contaminação e do comportamento de molhabilidade. Um meio de têmpera que rompe rapidamente o filme de vapor pode resfriar uma sonda com rapidez mesmo que sua condutividade térmica não seja excepcional. Por outro lado, uma molhabilidade deficiente pode preservar uma camada de vapor isolante e retardar a extração de calor. A revisão da ASTM International, Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review, enfatiza que a taxa de resfriamento se modifica ao longo de estágios distintos da têmpera, em vez de permanecer uma propriedade fixa do líquido.

A análise de curvas de resfriamento, portanto, fornece mais informações do que uma simples classificação como “óleo”, “água” ou “salmoura”. Um ensaio pode informar o tempo necessário para resfriar através de temperaturas selecionadas, a taxa máxima de resfriamento, a temperatura na qual esse máximo ocorre ou a taxa de resfriamento em temperaturas especificadas. Esses valores podem ser comparados quando são utilizadas a mesma geometria da sonda, a mesma temperatura inicial, o mesmo recipiente, a mesma agitação, o mesmo sistema de aquisição de dados e o mesmo procedimento de apresentação dos resultados.

O intervalo de temperatura é metalurgicamente importante. Para uma peça de aço, a taxa de resfriamento através da faixa de transformação de austenita em perlita ou de austenita em bainita pode afetar a fração e a distribuição dos produtos de transformação. O resfriamento através da faixa de início da formação de martensita afeta a formação de martensita, enquanto o resfriamento superficial excessivo pode aumentar as tensões térmicas e o risco de distorção ou trincamento. A sonda não reproduz todas as características de um componente de aço real, mas fornece uma medida controlada do comportamento da transferência de calor.

É por isso que o tipo de meio de têmpera deve ser distinguido da severidade de resfriamento medida. A escala relativa convencional da NPTEL atribui à água sem agitação uma classificação arbitrária de severidade igual a 1,0. Esse número é uma referência, não uma constante do material. A agitação, a temperatura da água, o gás dissolvido, a condição da superfície e a geometria da peça podem alterar o resultado medido. A mesma distinção se aplica à análise de Grossmann. Os valores H de referência típicos são de aproximadamente 0,25–0,30 para óleo sem agitação, 0,9–1,0 para água sem agitação e aproximadamente 2 para soda cáustica ou salmoura sem agitação. Faixas mais amplas publicadas incluem 2,0–5,0 para salmoura, 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente, 0,2–1,2 para soluções aquosas de polímeros e 0,25–0,80 para óleos de têmpera convencionais ou rápidos. Essas são faixas práticas, não constantes imutáveis para todo banho e toda condição operacional.

Um valor H também é diferente de uma curva de resfriamento de uma sonda. O $H$ de Grossmann representa a intensidade da têmpera em um modelo de fluxo de calor utilizado com cálculos de temperabilidade do aço e de tamanho de seção. Um ensaio com sonda mede a resposta térmica de uma sonda especificada sob um procedimento especificado. Os dois podem estar relacionados, mas um não deve ser substituído pelo outro sem uma correlação definida.

ASTM D6200, D6482 e D6549

O trabalho de caracterização da ASTM International, Quenchant Characterization by Cooling Curve Analysis, identifica ASTM D6200, ASTM D6482 e ASTM D6549 como normas relevantes para curvas de resfriamento. O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM também lista suas aplicações previstas: ASTM D6200 trata de óleos de têmpera, ASTM D6482 trata de meios de têmpera poliméricos aquosos sob agitação e ASTM D6549 trata de meios de têmpera sob agitação. A ASTM D8562 é listada separadamente para meios de têmpera poliméricos aquosos ensaiados com uma sonda de prata.

As normas não classificam simplesmente os líquidos pelo nome químico. Elas prescrevem uma configuração de ensaio para que o histórico de temperatura de uma sonda possa ser medido e comparado. As dimensões e o material da sonda, o volume do líquido, a temperatura do banho, a disposição da agitação ou do fluxo, o posicionamento da sonda e os requisitos de registro da temperatura influenciam o resultado. Um resultado obtido segundo a ASTM D6200 não pode ser automaticamente considerado equivalente a um resultado obtido segundo a ASTM D6482 ou a ASTM D6549, porque a sonda e as condições operacionais podem ser diferentes.

A agitação merece atenção especial. O movimento do líquido altera a espessura e a estabilidade da camada de vapor, renova o meio de têmpera mais frio na superfície da sonda e modifica a transição entre ebulição e convecção. Em um tanque industrial, o fluxo pode ser produzido por bombas, hélices, jatos, movimentação da peça ou circulação ao redor de um suporte. Portanto, “sob agitação” não é uma descrição completa da condição hidrodinâmica, a menos que a direção e a intensidade do fluxo também sejam controladas ou registradas.

A ASTM D8562-24 especifica um ensaio de taxa de resfriamento com sonda de prata, sem agitação, para meios de têmpera poliméricos aquosos utilizados com ligas de aço. Seu resultado pode orientar a comparação de formulações de polímeros aquosos ou indicar a severidade relativa de resfriamento segundo esse método. Ele não pode estabelecer uma classificação universal em relação a todo óleo, banho de água ou sistema de salmoura, porque o resultado corresponde à condição definida de ensaio com sonda de prata e sem agitação.

A estrutura da ASTM é útil precisamente porque limita a afirmação que está sendo feita. Se dois óleos forem ensaiados segundo a ASTM D6200 no mesmo laboratório, com repetibilidade aceitável, suas curvas poderão sustentar uma comparação relativa. Se um óleo for ensaiado em um banho sem agitação e outro em um tanque de produção com circulação intensa, os números não descreverão a mesma condição de transferência de calor. Uma curva também não prevê diretamente dureza, distorção, tensão residual ou trincamento sem considerar o grau do aço, a espessura da seção, a geometria, a condição da austenita prévia e o carregamento das peças.

O estudo revisado por pares de 2022, Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement, estabelece diretamente essa relação com o processo: a microestrutura do aço é determinada pela taxa de remoção de calor na superfície e pela taxa local de resfriamento, ambas controladas pelo tipo de fluido refrigerante e pela configuração do fluxo. Um resultado de sonda é, portanto, uma evidência sobre um ensaio de transferência de calor, não uma especificação completa da microestrutura que toda peça de aço desenvolverá.

ISO 9950:1995 e a sonda de liga de níquel

A ISO 9950:1995 especifica um método com sonda de liga de níquel para determinar e classificar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas e sem agitação. A resposta térmica da sonda é registrada à medida que ela esfria no óleo, e a curva resultante fornece informações comparativas sobre o comportamento de resfriamento em diferentes temperaturas. Como o método utiliza uma sonda de liga de níquel definida e um banho sem agitação, os laboratórios podem comparar o comportamento dos óleos quando as condições prescritas são mantidas.

A classificação tem um significado restrito, porém útil. Se o óleo A produzir uma resposta de resfriamento mais rápida que o óleo B nos ensaios segundo a ISO 9950:1995, o óleo A terá a maior característica de resfriamento medida segundo esse método. O resultado pode ajudar a identificar alterações causadas por oxidação, contaminação, envelhecimento ou diferenças de formulação quando as amostras são ensaiadas de maneira consistente.

Isso não pode provar que o óleo A resfriará mais rapidamente todo grau de aço em todo forno ou tanque. A agitação de produção pode suprimir a ebulição em filme, a carga pode alterar o fluxo local e a superfície da peça pode apresentar molhabilidade diferente da sonda de liga de níquel. A temperatura do banho, a concentração de contaminantes, o posicionamento da sonda e a geometria da peça podem alterar toda a sequência de transferência de calor. A classificação também não estabelece um valor H de Grossmann, a menos que tenha sido desenvolvida uma relação validada para aquele meio de têmpera e aquela aplicação.

O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media utilizou o método de sonda ISO/DIS 9950 para relacionar o desempenho de resfriamento medido e os valores H de Grossmann à condutividade térmica e à viscosidade. Esse tipo de trabalho mostra como os dados de sonda podem ser associados a modelos de engenharia, mas a relação depende das condições do ensaio e das premissas do modelo. Um valor isolado de condutividade ou viscosidade não determina a curva de resfriamento; a molhabilidade e o comportamento de ebulição podem dominar determinados intervalos de temperatura.

Os ensaios de curva de resfriamento são, portanto, mais confiáveis quando seu escopo é declarado com precisão: material da sonda, norma, temperatura do banho, condição de agitação, faixa de temperatura medida e métrica da taxa de resfriamento informada. “A água é mais severa que o óleo” pode ser uma primeira aproximação útil sob condições comparáveis. Não é um resultado de ensaio completo. A comparação defensável é sempre entre curvas medidas por métodos especificados e interpretadas considerando o aço real, a geometria e a configuração de têmpera.

ASTM D8562-24 para Meios de Têmpera Poliméricos Aquosos

A ASTM D8562-24 define um ensaio de taxa de resfriamento com sonda de prata sem agitação para meios de têmpera poliméricos aquosos usados com ligas de aço. Strong evidence

ASTM D8562-24 especifica um ensaio não agitado de taxa de resfriamento com sonda de prata para meios de têmpera poliméricos aquosos usados com ligas de aço. Essa redação define os limites do método. Ela não estabelece uma classificação permanente segundo a qual toda solução polimérica se situaria entre óleo e água, nem atribui uma severidade de resfriamento universal a um polímero aquoso apenas com base em sua composição. O resultado está vinculado a uma sonda, um recipiente, uma condição do meio de têmpera e um ensaio de transferência de calor especificados.

Essa distinção é importante porque “tipo de meio de têmpera” e “severidade de resfriamento medida” descrevem coisas diferentes. Uma solução polimérica aquosa é identificada pelo seu sistema polimérico dissolvido ou disperso e pela sua concentração; sua curva de resfriamento medida também reflete a temperatura, a contaminação, o comportamento de molhabilidade, o movimento do fluido e a configuração da sonda. A severidade de têmpera de Grossmann, expressa pelo valor H, é uma representação de engenharia separada da intensidade da têmpera. Um resultado de taxa de resfriamento obtido conforme a D8562-24 não deve ser tratado como um valor H, a menos que uma análise apropriada tenha sido realizada e suas premissas sejam válidas.

Escopo do ensaio com sonda de prata

A sonda de prata confere à D8562-24 uma resposta térmica definida. A prata possui alta condutividade térmica; portanto, a sonda foi projetada para registrar o comportamento de transferência de calor imposto pelo meio de têmpera em sua superfície, e não o comportamento de transformação de um corpo de prova de aço. O registro de temperatura em função do tempo pode então ser convertido em informações sobre a taxa de resfriamento em temperaturas ou intervalos de temperatura especificados. Assim, o ensaio caracteriza o meio de têmpera nas condições do método; ele não prevê diretamente o histórico de temperatura de toda e qualquer peça de aço.

Essa limitação não é uma deficiência. Uma sonda padronizada torna possível realizar comparações controladas. Se dois meios de têmpera poliméricos aquosos forem ensaiados com o mesmo equipamento, preparação, temperatura e procedimento de apresentação dos resultados, suas curvas de resfriamento poderão ser comparadas em uma base comum. A comparação pode mostrar, por exemplo, que uma solução remove calor mais rapidamente em uma determinada faixa de temperatura, enquanto outra produz uma taxa diferente durante a parte final do resfriamento. Um único valor máximo de taxa de resfriamento pode ocultar essa diferença.

O resfriamento não é constante desde a imersão até a equalização final. A análise da ASTM International, Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review, descreve diferentes estágios da têmpera e as mudanças associadas no comportamento da transferência de calor. Inicialmente, uma camada de vapor quente pode separar a sonda do líquido; essa camada pode então colapsar quando começa a molhabilidade, produzindo um estágio mais rápido de ebulição nucleada. Em temperaturas mais baixas da sonda, a ebulição diminui e a convecção se torna mais influente. As temperaturas de transição, a duração de cada estágio e as taxas de resfriamento dependem do líquido e de sua interação com a superfície.

Os meios de têmpera poliméricos tornam a molhabilidade especialmente importante. Películas de polímero podem se formar na superfície quente, alterar a estabilidade da película de vapor e modificar a maneira como o líquido alcança a sonda. A concentração, a idade da solução, os resíduos, a qualidade da água e a contaminação podem afetar essa película. Portanto, a mesma concentração nominal de polímero pode produzir curvas de resfriamento diferentes em condições operacionais distintas. O estudo Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement relaciona a microestrutura do aço à taxa de remoção de calor da superfície e à taxa de resfriamento local, ambas controladas pelo tipo de fluido de resfriamento e pela configuração de seu escoamento. A D8562-24 mede uma manifestação controlada desse comportamento, e não todas as possíveis manifestações industriais.

O material da sonda também impede a intercambialidade casual entre normas. A ISO 9950:1995 especifica um ensaio com sonda de liga de níquel para determinar e classificar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera em condições padronizadas não agitadas. A ASTM D6200 trata de óleos de têmpera, enquanto a D8562-24 trata de meios de têmpera poliméricos aquosos com uma sonda de prata. Uma taxa de resfriamento numérica obtida pelo método com liga de níquel para óleos não é automaticamente equivalente a uma taxa de resfriamento numérica obtida pelo método com sonda de prata para polímeros. A construção da sonda, a resposta térmica, a geometria do corpo de prova, a instrumentação e a família do meio de têmpera afetam o resultado.

Condições do ensaio não agitado

“Não agitado” é uma parte importante da designação D8562-24, e não um detalhe laboratorial secundário. O ensaio destina-se a medir a resposta de resfriamento sem agitação mecânica imposta ou escoamento controlado do fluido ao redor da sonda. Essa condição elimina uma variável importante e favorece comparações repetíveis entre soluções poliméricas aquosas. Isso não significa que o meio de têmpera permaneça imóvel em todos os sentidos físicos: o fluido quente sobe, o vapor se desloca e as diferenças de densidade geram convecção natural. Significa que o método não reproduz deliberadamente uma bomba, um impulsor, um jato de pulverização, um bico ou o movimento da peça.

Os tanques industriais raramente se comportam como um banho de laboratório completamente quiescente. As peças podem entrar vertical ou horizontalmente, os cestos podem se mover, as bombas podem fazer o fluido circular e as superfícies próximas podem redirecionar o escoamento. Um sistema de pulverização impõe condições de contorno ainda diferentes. O escoamento pode romper películas de vapor, renovar o líquido mais frio na superfície, remover camadas de contorno enriquecidas com polímero e alterar o equilíbrio entre ebulição e convecção. Consequentemente, um resultado obtido conforme a D8562-24 descreve a condição de ensaio não agitada, mesmo quando o tanque de produção é agitado.

A temperatura do meio de têmpera também deve ser controlada e informada, pois a viscosidade, o teor de gases dissolvidos, a molhabilidade e a capacidade térmica variam com a temperatura. A concentração do polímero e a condição da solução exigem o mesmo rigor. Não se pode presumir que um ensaio realizado com uma solução nova em determinada concentração represente um banho em operação que tenha acumulado óleo, partículas finas, sais, produtos de corrosão ou produtos de degradação do polímero. As práticas de limpeza e amostragem podem alterar os resultados antes mesmo de a sonda entrar no líquido.

Esses fatores explicam por que “a água é mais severa que o óleo” é uma formulação simplista demais para decisões técnicas. A abordagem de 2024 do NPTEL atribui à água não agitada uma classificação relativa arbitrária de severidade de 1,0. Os valores de referência típicos de Grossmann são aproximadamente 0,25–0,30 para óleo parado, 0,9–1,0 para água parada e cerca de 2 para soda cáustica ou salmoura paradas. Faixas mais amplas publicadas indicam 2,0–5,0 para salmoura, 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente, 0,2–1,2 para soluções poliméricas aquosas e 0,25–0,80 para óleos de têmpera convencionais ou rápidos. Essas são faixas de referência, e não constantes imutáveis dos materiais. A agitação, a temperatura, a molhabilidade, a geometria e o método de cálculo selecionado podem alterar substancialmente um resultado medido.

A palavra “agitado” também exige precisão baseada nas normas. O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM identifica a ASTM D6482 para meios de têmpera poliméricos aquosos agitados e a ASTM D6549 para meios de têmpera agitados, juntamente com a D6200 para óleos de têmpera e a D8562 para meios de têmpera poliméricos aquosos ensaiados com uma sonda de prata. A D6482 ou a D6549 podem ser mais representativas quando o processo de produção depende de circulação ou movimento. Selecionar a D8562-24 para um processo agitado apenas por conveniência cria uma incompatibilidade entre o método e o processo.

Uso dos resultados para comparação e seleção

Os resultados da D8562-24 podem orientar a seleção de um meio de têmpera ou a comparação de severidades de têmpera, desde que a comparação comece pelo escopo do método. A primeira pergunta não é “Qual curva tem o maior número?”. É “As curvas foram obtidas pelo mesmo método aplicável, com a mesma sonda, temperatura do meio de têmpera, concentração e condição de agitação?”. Somente depois dessa verificação os dados de taxa de resfriamento devem ser comparados.

Uma comparação útil examina a curva completa. A taxa durante o estágio de vapor indica por quanto tempo a superfície permanece isolada pelo vapor. A taxa durante a ebulição nucleada pode controlar a passagem por faixas de temperatura nas quais um resfriamento excessivo pode aumentar o risco de distorção ou trincas. A porção convectiva de menor temperatura afeta a maneira como o aço se aproxima da faixa de transformação e da equalização final. Para um determinado grau de aço, a taxa relevante está relacionada ao seu comportamento crítico de transformação, ao tamanho da seção, à geometria e à microestrutura exigida — e não necessariamente à taxa máxima registrada pela sonda de prata.

O resultado pode apoiar uma mudança controlada de uma concentração de polímero aquoso para outra, uma verificação da deterioração do banho ou uma comparação entre uma solução polimérica e outro meio de têmpera ensaiado por um método apropriado. Ele também pode revelar que duas soluções com taxas máximas semelhantes resfriam de maneira diferente no restante da curva. Essa diferença pode ser importante para a dureza, a distorção, as tensões residuais ou a formação de martensita, bainita, ferrita ou perlita em uma determinada liga de aço.

O resultado, por si só, não reproduz todas as condições de têmpera da produção. Ele não considera automaticamente a massa da peça, os cantos, os furos, a densidade da carga, a posição no suporte, a carepa superficial, o padrão de agitação, o impacto da pulverização ou a variação da temperatura de um banho de grande volume. Da mesma forma, uma curva obtida com sonda de prata não comprova diretamente que um determinado grau de aço atenderá a um requisito especificado de dureza ou microestrutura. A validação da produção ainda exige corpos de prova de aço apropriados, cargas representativas, controles do processo e exame metalúrgico.

A análise de Grossmann pode fornecer outro referencial de comparação, mas seu valor H não deve ser confundido com o resultado do ensaio ASTM. Os valores H representam a intensidade de têmpera em um modelo de transferência de calor e dependem de pressupostos sobre as condições de contorno e a geometria. O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media relaciona o desempenho do resfriamento e os valores H de Grossmann às propriedades do fluido, utilizando o método da sonda ISO/DIS 9950, e demonstra que a curva medida e o valor H calculado estão relacionados, mas não são idênticos. Uma curva D8562-24 constitui evidência proveniente de um ensaio definido com sonda de prata. Ela só se torna uma decisão de processo quando interpretada considerando o aço, o componente, o equipamento e a condição de resfriamento pretendida.

Severidade de Resfriamento, Temperabilidade e Microestrutura do Aço

A severidade de resfriamento descreve a rapidez com que um meio de têmpera remove calor sob condições especificadas; ela não identifica a microestrutura do aço que resultará. Essa distinção é importante porque martensita, bainita, perlita e ferrita se formam de acordo com a composição do aço, o tamanho de grão da austenita, o tratamento de austenitização, o tamanho da seção e a trajetória real de temperatura-tempo ao longo das faixas de transformação. Um meio de têmpera pode produzir resultados diferentes em diferentes classes de aço, e a mesma classe pode responder de maneira distinta quando a agitação, a disposição da carga ou a temperatura do meio de têmpera são alteradas.

A terminologia também requer cuidado. Um tipo de meio de têmpera — óleo, água, solução polimérica, salmoura ou gás — não constitui, por si só, um valor medido de severidade. Os ensaios de curva de resfriamento registram a remoção de calor para uma sonda, temperatura, condição de agitação e procedimento de ensaio definidos. A análise de Grossmann expressa a intensidade da têmpera por meio de um valor H, mas H é um parâmetro de modelagem, e não uma constante permanente do material. A escala convencional da NPTEL atribui à água sem agitação uma severidade relativa arbitrária de 1,0. Os valores de referência de Grossmann são aproximadamente 0,25–0,30 para óleo estacionário, 0,9–1,0 para água estacionária e cerca de 2 para soda cáustica ou salmoura estacionária. Outras faixas frequentemente citadas vão de 2,0–5,0 para salmoura, de 0,90–2,0 para água destilada à temperatura ambiente, de 0,2–1,2 para soluções poliméricas aquosas e de 0,25–0,80 para óleos de têmpera convencionais ou de resfriamento rápido. Esses valores são comparações úteis, não classificações imutáveis.

Condições críticas de resfriamento e produtos de transformação

A austenita deve evitar ou atravessar determinadas regiões do diagrama de transformação-tempo-temperatura a taxas que suprimam a formação de produtos difusionais indesejados. Se o resfriamento permanecer suficientemente lento para permitir a partição do carbono, ferrita e perlita poderão se formar em aços ao carbono simples; em taxas um pouco mais elevadas, poderá se desenvolver bainita. Se o aço for resfriado abaixo de sua temperatura de início da martensita antes que ocorra uma transformação difusional substancial, a austenita poderá se transformar predominantemente em martensita, com a fração final dependendo da temperatura de final da martensita e da quantidade de austenita retida.

Não existe uma única “taxa crítica de resfriamento” aplicável a todos os aços. O AISI 1045, por exemplo, apresenta temperabilidade muito menor que o AISI 4140 porque o cromo e o molibdênio retardam a transformação, permitindo que uma trajetória de resfriamento mais lenta no interior forme martensita. O AISI 52100, o AISI 4140 e o AISI 4340 também exigem tratamentos distintos, mesmo quando recebem nominalmente a mesma têmpera. A temperabilidade descreve a profundidade até a qual um aço pode desenvolver uma estrutura de transformação endurecida sob uma determinada têmpera; ela não é o mesmo que dureza superficial e não é uma propriedade exclusiva do meio de têmpera.

A condição de austenitização altera o ponto de partida. Uma temperatura ou um tempo de permanência excessivos na austenitização podem aumentar o tamanho dos grãos de austenita, alterar a dissolução de carbonetos e modificar o comportamento de transformação. Em contrapartida, a dissolução incompleta de carbonetos pode deixar o carbono e os elementos de liga distribuídos de maneira desigual. O tamanho da seção, então, determina a rapidez com que o calor pode chegar à superfície e a quantidade de calor que precisa se deslocar a partir do núcleo. Uma pequena barra de AISI 1045 pode atravessar a faixa martensítica com rapidez suficiente em óleo, enquanto uma barra grande da mesma classe de aço tratada termicamente pode reter perlita ou bainita em seu centro.

A curva de resfriamento não é uma linha reta. A revisão da ASTM Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review descreve estágios distintos da têmpera: um estágio inicial de manta de vapor ou ebulição em película, um estágio rápido de ebulição nucleada e um estágio convectivo mais lento, após a temperatura da peça cair abaixo da faixa relacionada à ebulição do meio de têmpera. Os coeficientes de transferência de calor variam acentuadamente entre esses estágios. A cinética de molhamento determina quando o vapor é deslocado da superfície; por isso, duas têmperas realizadas à mesma temperatura nominal do banho podem produzir taxas locais de resfriamento diferentes.

A ASTM D8562-24 especifica um ensaio com sonda de prata sem agitação para meios de têmpera poliméricos aquosos utilizados com ligas de aço. A ISO 9950:1995 especifica um método com sonda de liga de níquel para determinar e classificar óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas e sem agitação. A ASTM D6200 abrange óleos de têmpera, a ASTM D6482 abrange meios de têmpera poliméricos aquosos sob agitação e a ASTM D6549 abrange meios de têmpera sob agitação. Seus resultados permitem comparar condições medidas por esses métodos; eles não podem garantir que uma determinada seção de aço receberá o mesmo histórico térmico.

O estudo revisado por pares de 2022, Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement, estabelece diretamente a relação prática: a microestrutura do aço é governada pela taxa de remoção de calor na superfície e pela taxa de resfriamento local, ambas controladas pelo tipo de fluido refrigerante e pela disposição de seu escoamento. Assim, um jato, um banho de imersão e uma peça em movimento podem produzir distribuições diferentes de martensita, mesmo com o mesmo líquido.

Diferenças de resfriamento entre a superfície e o núcleo

Durante a têmpera, a superfície entra primeiro em contato com o meio de têmpera. O núcleo, não. O calor flui do interior em direção à superfície, produzindo um gradiente de temperatura que pode ser acentuado durante a ebulição nucleada e menos acentuado durante o estágio convectivo posterior. A superfície pode atravessar a temperatura de início da martensita enquanto o núcleo ainda está na faixa de transformação da perlita ou da bainita. É por isso que uma camada endurecida pode envolver um centro mais macio sem qualquer alteração na classe nominal do aço.

O efeito é particularmente evidente em barras espessas, placas, engrenagens e peças forjadas. Um componente fino de AISI 4140 pode resfriar rapidamente em toda a sua seção, enquanto um eixo grande de AISI 4140 pode desenvolver uma borda martensítica e um núcleo bainítico ou perlítico. O teor de elementos de liga desloca as curvas de transformação, mas a geometria ainda controla a trajetória térmica. Cantos, furos, rasgos de chaveta e transições de seção também alteram o fluxo de calor. Um canto pode perder calor por duas ou três faces expostas, enquanto uma região reentrante permanece mais quente e pode se transformar de maneira diferente.

A disposição do escoamento pode intensificar ou reduzir essa variação. A agitação remove o vapor, renova o líquido mais frio na superfície e pode elevar o coeficiente local de transferência de calor. Um jato direcionado pode resfriar uma face muito mais rapidamente que uma face protegida. Em uma têmpera por imersão, bolsas de vapor podem persistir sob superfícies horizontais ou no interior de cavidades. Por isso, o estudo de 2022 sobre a disposição do escoamento adverte contra tratar “têmpera em água” ou “têmpera em polímero” como uma descrição de processo suficiente. O escoamento específico de cada localização determina o resfriamento específico de cada localização.

A temperatura, a concentração, a viscosidade e a condutividade térmica do meio de têmpera também são importantes. O estudo Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media relaciona o desempenho de resfriamento medido e os valores H de Grossmann a essas propriedades utilizando o método de sonda da ISO/DIS 9950, demonstrando por que a condição do fluido afeta o resultado medido. Uma alteração na concentração do polímero pode modificar a viscosidade e o comportamento de molhamento o suficiente para alterar a persistência da película e a remoção de calor durante a ebulição nucleada. A contaminação e a degradação do banho podem produzir o mesmo efeito.

Compromissos entre dureza, distorção e trincas

Um resfriamento insuficiente deixa mais austenita disponível para a transformação difusional. As regiões resultantes de ferrita-perlita ou bainita geralmente são mais macias que a martensita, embora a dureza da bainita varie conforme a classe do aço e a temperatura de transformação. Uma superfície pode atender a um requisito de dureza enquanto o núcleo permanece subendurecido. Para um componente cuja carga é suportada ao longo de sua seção, esse gradiente pode representar uma falha de projeto, mesmo quando o valor medido na superfície parece aceitável.

O aumento da severidade pode melhorar a profundidade de endurecimento, mas também aumenta as tensões térmicas e de transformação. A superfície se contrai à medida que resfria, enquanto o núcleo mais quente restringe essa contração. Posteriormente, o núcleo esfria e se contrai, enquanto a superfície, já transformada, oferece resistência. A formação de martensita acrescenta uma deformação de transformação, que não é uniforme quando o teor de carbono, a temperatura ou a taxa de resfriamento variam ao longo da seção. Surgem, então, tensões residuais, alterações dimensionais e distorções de forma.

As trincas são o resultado extremo dessa competição. Aços de alto carbono, como o AISI 1095 e o aço para rolamentos AISI 52100, são particularmente sensíveis porque a formação de martensita produz tensões substanciais e a ductilidade disponível durante a têmpera é limitada. Cantos vivos, mudanças abruptas de seção, camadas descarbonetadas, marcas de retificação e o colapso local da película de vapor fornecem concentrações adicionais de tensão. Um meio mais severo pode elevar a dureza superficial, mas aumentar a probabilidade de trincas de têmpera ou de distorção inaceitável.

O objetivo prático, portanto, não é obter o valor H máximo. É alcançar uma trajetória de resfriamento que produza a estrutura de transformação necessária com gradientes controlados. Isso pode envolver a seleção de um aço com maior temperabilidade, a alteração do ciclo de austenitização, a redução da espessura da seção, o ajuste da concentração do polímero, o controle da temperatura do banho ou a modificação da agitação e da orientação do dispositivo de fixação. O revenimento reduz parte das tensões do estado temperado, mas não pode reparar de maneira confiável trincas ou uma não uniformidade severa criada durante a têmpera. A severidade de resfriamento deve ser avaliada conjuntamente em relação à classe do aço, à geometria, à condição do processo e à curva de resfriamento medida.

Como comparar meios de têmpera sem interpretar os dados de forma equivocada

Um meio de têmpera não possui um único valor permanente de severidade de resfriamento. “A água é mais severa que o óleo” é apenas uma primeira aproximação útil quando a comparação especifica qual água, qual óleo, qual ensaio e qual parte da curva de resfriamento está sendo considerada. A temperatura do banho, a concentração, a contaminação, a agitação, a geometria da sonda, a condição da superfície e o comportamento de molhamento podem alterar o resultado medido.

A comparação deve, portanto, começar pela descrição do ensaio, não por uma classificação. Registre a norma e sua revisão, o material e as dimensões da sonda, a temperatura do meio de têmpera, a concentração ou condição, o estado de agitação, a configuração do fluxo e o intervalo de temperatura utilizado para calcular a taxa de resfriamento. Em seguida, compare curvas completas de tempo–temperatura ou, pelo menos, as partes dessas curvas que correspondem à transformação do aço que se pretende controlar.

Comparando condições equivalentes

Os resultados de curvas de resfriamento são medições dependentes do método. A ISO 9950:1995 especifica uma sonda de liga de níquel para determinar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera sob condições padronizadas sem agitação. A ASTM D8562-24 especifica um ensaio sem agitação com sonda de prata para meios de têmpera poliméricos aquosos utilizados com ligas de aço. Esses ensaios não criam uma escala universal de comparação entre óleo e polímero. Eles descrevem como o líquido ensaiado resfriou uma sonda especificada sob condições especificadas.

O material da sonda é importante porque a sonda não é uma peça de aço. A prata, as ligas de níquel e outros materiais de sonda possuem diferentes condutividades térmicas, capacidades térmicas, condições superficiais e comportamentos de oxidação. A resposta desses materiais pode alterar o formato e o momento dos eventos na curva medida, particularmente durante a transição entre a ebulição em película de vapor e a ebulição nucleada. O tamanho da sonda e a posição do termopar também são relevantes. Uma sonda pequena pode responder rapidamente; uma sonda maior pode reter calor e apresentar uma taxa de resfriamento aparente diferente, mesmo no mesmo banho.

Os métodos ASTM aplicáveis ilustram por que os resultados devem ser acompanhados de suas identificações. O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM identifica a ASTM D6200 para óleos de têmpera, a ASTM D6482 para meios de têmpera poliméricos aquosos agitados, a ASTM D6549 para meios de têmpera agitados e a ASTM D8562 para meios de têmpera poliméricos aquosos ensaiados com uma sonda de prata. Um resultado da ASTM D6200 não deve ser colocado ao lado de um resultado da ASTM D8562 como se os valores viessem de uma única escala comum.

A agitação costuma ser a maior fonte de uma comparação enganosa. Uma sonda estacionária em água parada pode desenvolver uma camada de vapor persistente. O movimento rompe essa camada, renova o líquido na superfície e altera a duração da ebulição em película. Em um tanque industrial, a condição relevante pode ser um fluxo vertical, um fluxo transversal, o impacto de jatos, a rotação da peça ou o fluxo através de passagens. “Água agitada” não é uma única condição. A velocidade e a direção do fluxo, a turbulência e o acesso às superfícies reentrantes afetam a remoção de calor.

O próprio meio de têmpera também exige uma descrição precisa. Para um polímero aquoso, informe a química do polímero, a concentração, a temperatura do banho, a leitura do refratômetro ou outro método de controle da concentração e o estado de degradação ou contaminação. Para o óleo, informe o grau ou a classificação, a temperatura, a viscosidade, quando disponível, o estado de oxidação e a circulação. A concentração e a temperatura da salmoura devem ser declaradas. O mesmo meio identificado pelo mesmo nome pode produzir curvas diferentes após alterações de concentração, envelhecimento ou contaminação.

O valor H de Grossmann deve fazer parte desse registro, mas não pode substituí-lo. Na escala convencional descrita pelo NPTEL, atribui-se à água não agitada uma severidade relativa arbitrária de 1,0. Os valores de referência típicos citados para óleo parado são aproximadamente 0,25–0,30; para água parada, 0,9–1,0; e para soda cáustica ou salmoura paradas, cerca de 2. Faixas de referência mais amplas atribuem à salmoura valores de 2,0–5,0, à água destilada à temperatura ambiente valores de 0,90–2,0, às soluções de polímeros aquosos valores de 0,2–1,2 e aos óleos de têmpera convencionais ou rápidos valores de 0,25–0,80. Essas são faixas de trabalho, não constantes imutáveis dos materiais. Um valor H representa uma condição de têmpera e uma convenção de modelagem, não a identidade química do líquido.

Lendo a taxa de resfriamento na temperatura relevante

A taxa máxima de resfriamento é fácil de citar e, muitas vezes, inadequada para uma decisão de tratamento térmico do aço. Ela pode ocorrer durante um breve intervalo após o colapso da camada de vapor, quando o aço ainda está em uma temperatura acima da faixa na qual a microestrutura final está sendo definida. Assim, um pico elevado pode coexistir com um resfriamento insuficiente ao longo de um intervalo crítico de transformação ou com um resfriamento excessivo em uma temperatura na qual aumentam as probabilidades de trincas e distorções.

A têmpera normalmente passa por etapas distintas de transferência de calor: ebulição em película, ebulição nucleada e convecção no líquido. A revisão da ASTM, Transferência de calor durante a têmpera e avaliação da severidade da têmpera, explica que a taxa de resfriamento se altera ao longo dessas etapas e é controlada por diferentes mecanismos de transferência de calor. Consequentemente, a curva é mais informativa que um único valor máximo. Examine o tempo necessário para atingir temperaturas selecionadas, a taxa nessas temperaturas, a duração de cada etapa de ebulição e se o resfriamento é uniforme ou contém alterações abruptas.

O intervalo relevante depende do aço e da estrutura exigida. Para um aço-carbono ou aço de baixa liga, o resfriamento nas faixas de transformação da perlita e da bainita pode determinar se haverá formação de martensita. Essas faixas variam conforme a composição e o tamanho do grão de austenita prévia; portanto, uma “taxa máxima de resfriamento” genérica não pode responder à questão. O AISI 1045, por exemplo, não pode ser avaliado usando exatamente o mesmo requisito crítico de resfriamento aplicável ao AISI 4140 ou ao AISI 52100. Utilize os dados aplicáveis de transformação por resfriamento contínuo ou de transformação tempo–temperatura e, em seguida, examine a curva do meio de têmpera no intervalo de temperatura correspondente.

A temperatura de início da martensita também é relevante. O resfriamento abaixo desse ponto inicia a transformação martensítica, enquanto a taxa em temperaturas mais baixas afeta os gradientes de temperatura, as tensões de transformação e a quantidade de austenita retida. Um meio de têmpera que resfria muito rapidamente a partir da temperatura de austenitização, mas desacelera substancialmente antes ou durante a formação da martensita, pode produzir um equilíbrio diferente entre dureza e distorção daquele produzido por um meio com pico menor, mas resfriamento mais uniforme.

Uma comparação prática poderia informar as taxas a 800, 600, 400 e 200 °C, com as temperaturas exatas selecionadas de acordo com a liga e o processo. Ela também deveria apresentar a curva completa, desde a região de austenitização até a temperatura do banho. Se apenas uma taxa de pico for publicada, sua temperatura e duração devem ser informadas. Sem esses dados, o número tem pouco significado metalúrgico.

A taxa de resfriamento, por si só, ainda não descreve todos os riscos. Em uma seção espessa, a temperatura da superfície pode diferir acentuadamente da temperatura do núcleo, e a geometria local pode aprisionar vapor ou restringir o fluxo. A extração de calor em uma aresta, um furo, um ressalto ou um ponto de contato pode diferir daquela em uma face ampla exposta. O estudo revisado por pares de 2022, Papel do método de têmpera na taxa de resfriamento e na microestrutura dos aços: variações no refrigerante e em sua configuração de fluxo, relaciona diretamente a microestrutura do aço à taxa de remoção de calor na superfície e à taxa de resfriamento local, demonstrando por que o tipo de refrigerante não pode ser separado de sua configuração de fluxo.

Separando a classificação em laboratório do comportamento na produção

Um ensaio de laboratório pode classificar líquidos sob condições controladas. Por si só, porém, ele não pode certificar o resultado para todos os tamanhos de aço e formatos de componentes. Uma sonda de prata ensaiada em um polímero sem agitação a 25 °C representa aquele método e aquela condição. Ela não representa um eixo longo em um tanque com circulação a 50 °C, uma cavidade cega que recebe fluxo intermitente ou uma carga cuja temperatura do meio de têmpera aumenta durante a produção.

A distinção é especialmente importante ao comparar ensaios estáticos e agitados. A ASTM D6482 e a ASTM D6549 tratam de condições com agitação, enquanto a ASTM D8562 trata de ensaios sem agitação de polímeros aquosos com uma sonda de prata. Da mesma forma, a ISO 9950:1995 especifica condições padronizadas sem agitação para óleos industriais de têmpera. Uma classificação de laboratório pode se inverter quando a agitação altera a remoção do vapor ou quando um componente apresenta uma relação área superficial–volume diferente.

A validação da produção deve relacionar a curva de resfriamento ao aço e à seção reais. Utilize termopares ou cargas instrumentadas quando for viável, examine a dureza da superfície ao núcleo e inspecione a microestrutura em locais expostos a diferentes condições de fluxo. Distorção, trincas, pontos moles e variação entre cargas são resultados no nível do componente; nenhum deles é plenamente previsto por um único valor máximo obtido com uma sonda.

O ASM Handbook, Volume 4F, Meios de têmpera e tecnologia de têmpera, da ASM International, fornece a distinção organizadora adequada entre tipo de meio de têmpera, severidade da têmpera, etapas de resfriamento e têmpera do aço. O estudo Efeito da condutividade térmica e da viscosidade no desempenho de resfriamento de meios líquidos de têmpera também relaciona o comportamento de resfriamento medido e os valores H de Grossmann às propriedades físicas utilizando o método da sonda da ISO/DIS 9950, reforçando que um valor H é uma medida de processo interpretada, e não uma propriedade fixa de “óleo” ou “água”.

A pergunta defensável, portanto, não é “Qual meio de têmpera ocupa a posição mais alta na classificação?”. É: “Qual meio de têmpera, sob qual condição controlada, remove o calor à taxa necessária ao longo do intervalo de temperatura relevante sem impor distorção ou trincas inaceitáveis?”. Essa pergunta conduz a dados comparáveis. Uma classificação isolada, não.

Um fluxo de trabalho baseado em normas para o controle da têmpera

O controle da têmpera começa pelo aço, não por uma classificação entre água, óleo, polímero e salmoura. O meio de têmpera é apenas uma parte do sistema de transferência de calor. O resultado medido também depende do material e da geometria da sonda, da temperatura do banho, da concentração, da agitação, da configuração do escoamento, da condição da superfície e da faixa da curva de resfriamento que está sendo examinada. Portanto, um fluxo de trabalho baseado em normas trata a severidade do resfriamento como uma variável de processo que deve ser medida e relacionada às propriedades exigidas de um determinado componente.

Defina o aço, a geometria e o resultado exigido

Registre a designação do aço exatamente conforme especificada pela norma de produto aplicável. Os exemplos incluem AISI 1045, AISI 4140, ASTM A29/A29M grau 4140, EN 10083-3 grau de aço 42CrMo4 e SAE J404 grau 52100. A designação não é um detalhe administrativo secundário: a composição química, a temperabilidade, o tamanho do grão da austenita prévia e o tamanho da seção determinam a rapidez com que o centro deve resfriar para formar a microestrutura exigida.

A especificação inicial deve indicar a condição de tratamento térmico e o resultado pretendido. Identifique a temperatura de austenitização, o tempo de manutenção, o tempo de transferência até a têmpera e se o objetivo é predominantemente martensita, uma mistura de martensita e bainita ou uma estrutura deliberadamente mais macia. Para AISI 1045, por exemplo, a resposta à têmpera difere acentuadamente entre um eixo fino destinado a atingir alta dureza martensítica e uma placa espessa na qual sejam aceitáveis uma fração controlada de martensita e um risco limitado de trincas. Para AISI 4140 ou 42CrMo4, a temperabilidade proporcionada pelos elementos de liga permite uma exigência de resfriamento diferente daquela do aço-carbono comum.

As dimensões da seção devem incluir mais do que a espessura nominal. Registre o diâmetro, a espessura da parede, os rasgos de chaveta, os furos, os cantos vivos, as relações entre diâmetro interno e espessura da parede e as mudanças de seção. Uma barra maciça de 50 mm, um tubo com diâmetro externo de 50 mm e uma placa de 50 mm de espessura não apresentam o mesmo problema de fluxo de calor. A superfície resfria primeiro, enquanto o núcleo continua liberando calor; a geometria controla os gradientes de temperatura que produzem transformação e tensão residual.

Defina os limites admissíveis de distorção e o risco de trincas antes de selecionar o meio de têmpera. Uma tolerância dimensional, um limite de batimento, uma faixa de dureza e uma exigência relativa à condição superficial tornam o resultado verificável. Especifique se a dureza é exigida na superfície, em uma profundidade definida ou ao longo de um percurso da superfície até o centro. Para um componente endurecido em toda a seção, inclua a profundidade efetiva endurecida exigida e o critério de aceitação, como uma dureza Rockwell C mínima ou uma comparação de temperabilidade derivada do ensaio Jominy.

Essa definição também evita o uso inadequado dos valores H de Grossmann. A escala convencional atribui à água parada e não agitada uma severidade arbitrária de 1,0, conforme descrito pelo NPTEL em 2024. Os valores de referência típicos são de aproximadamente 0,25–0,30 para óleo parado, 0,9–1,0 para água parada e aproximadamente 2 para soda cáustica ou salmoura paradas. Outras faixas publicadas situam a salmoura entre 2,0 e 5,0, a água destilada à temperatura ambiente entre 0,90 e 2,0, as soluções aquosas de polímeros entre 0,2 e 1,2 e os óleos de têmpera convencionais ou de resfriamento rápido entre 0,25 e 0,80. Essas são faixas de referência, não constantes fixas dos materiais. Um valor H varia com a agitação, a temperatura, a molhabilidade, a concentração e as condições de ensaio.

Selecione um método de ensaio dentro de seu escopo

Escolha o método de ensaio após definir o processo, pois nenhuma norma de curva de resfriamento representa todos os processos industriais de têmpera. O Subcomitê D02.L0.06 da ASTM International identifica a ASTM D6200 para óleos de têmpera, a ASTM D6482 para meios de têmpera aquosos à base de polímeros e agitados, a ASTM D6549 para meios de têmpera agitados e a ASTM D8562 para meios de têmpera aquosos à base de polímeros ensaiados com uma sonda de prata. A ASTM D8562-24 especifica um ensaio de taxa de resfriamento com sonda de prata, sem agitação, para meios de têmpera aquosos à base de polímeros utilizados com ligas de aço. Seu resultado pode dar suporte à comparação segundo esse método; ele não estabelece uma classificação universal em relação a todos os óleos, sistemas de água ou tanques de produção.

A ISO 9950:1995 especifica um método com sonda de liga de níquel para determinar as características de resfriamento de óleos industriais de têmpera em condições padronizadas e sem agitação. Esse escopo é importante. Um resultado da ISO 9950:1995 descreve o óleo e a configuração de ensaio especificada, mas não representa automaticamente o comportamento desse óleo ao redor de uma carga de aço em movimento com circulação ativa. A liga da sonda, as dimensões da sonda, a localização do termopar, o procedimento de imersão e o método de redução dos dados afetam a curva registrada.

Antes do ensaio, documente a identidade do meio de têmpera, a formulação ou o tipo de óleo, a concentração, quando aplicável, os limites de contaminação, o volume do banho, a temperatura do banho, a temperatura da sonda e o procedimento de limpeza. Registre se a sonda permanece estacionária, é girada, se movimenta pelo banho ou fica exposta a um jato direcionado. A agitação deve ser relatada quantitativamente sempre que possível: velocidade do impulsor, vazão, velocidade do jato, disposição dos bicos ou circulação medida no tanque. Informar apenas “agitado” não é suficiente para reproduzir um resultado.

Analise a curva completa de tempo e temperatura em vez de extrair uma única taxa de resfriamento sem contexto. A têmpera inclui diferentes estágios de transferência de calor. No estágio inicial de filme de vapor, uma camada de vapor estável pode restringir a remoção de calor. Quando começa a molhabilidade, a ebulição nucleada pode produzir um fluxo de calor muito mais elevado. Em temperaturas mais baixas, a ebulição termina e a convecção controla o resfriamento posterior. A análise da ASTM de 2024, Transferência de calor durante a têmpera e avaliação da severidade da têmpera, enfatiza que a taxa de resfriamento varia entre esses estágios e depende da cinética de molhabilidade e dos mecanismos de transferência de calor.

A taxa máxima de resfriamento, a temperatura na qual ocorre esse máximo e o tempo necessário para atravessar as faixas críticas de transformação podem ter significados metalúrgicos diferentes. Um meio de têmpera pode resfriar rapidamente próximo à temperatura de início da martensita, mas lentamente na faixa da perlita ou da bainita, ou o inverso. Uma única classificação oculta essa distinção. A análise de curvas de resfriamento segundo a ASTM D6200, D6482, D6549 ou ASTM D8562-24 deve, portanto, ser selecionada de acordo com a classe do meio de têmpera e a condição de escoamento, com o registro dos desvios em relação ao método estabelecido.

Correlacione os resultados do ensaio com o processo de tratamento térmico

Uma curva obtida com uma sonda é uma evidência sobre a transferência de calor, não uma prova de que um componente atenderá à sua especificação. A etapa seguinte é um ensaio controlado e representativo da produção, utilizando o grau de aço real, a geometria da seção, o padrão de carregamento, o tempo de transferência do forno até o tanque e o movimento de têmpera reais. Uma sonda de prata ou de liga de níquel não reproduz a massa térmica, a condição superficial, a geometria ou o calor de transformação de uma peça de aço.

Meça a dureza em locais definidos. Para uma barra ou eixo, inclua leituras na superfície, na subsuperfície e no centro; para uma placa, defina os locais na face e no meio da espessura. Utilize a norma de dureza pertinente e registre a escala, a carga, a condição do penetrador e a preparação da superfície. Quando a temperabilidade for central para a decisão, compare o resultado com um perfil de têmpera na extremidade Jominy ou com um modelo de temperabilidade estabelecido para a corrida especificada, mas não substitua um ensaio do componente por dados Jominy.

A metalografia fornece a segunda verificação necessária. Examine seções representativas da superfície e do núcleo quanto à presença de martensita, bainita, ferrita, perlita, austenita retida, descarbonetação e trincas de têmpera. Uma alta dureza superficial pode coexistir com um núcleo subendurecido. Por outro lado, uma têmpera severa pode produzir dureza adequada e, ao mesmo tempo, gerar redes de trincas inaceitáveis ou distorção. O estudo revisado por pares de 2022, Papel do método de têmpera na taxa de resfriamento e na microestrutura dos aços: variações no refrigerante e em sua configuração de escoamento, relaciona a microestrutura do aço à taxa de remoção de calor na superfície e à taxa de resfriamento local, ambas controladas pelo tipo de refrigerante e pela configuração do escoamento.

Utilize a curva de resfriamento para explicar o resultado metalúrgico e, em seguida, ajuste uma variável de processo por vez. Se a dureza for baixa no centro, investigue o atraso na transferência, a disposição da carga, a temperatura do banho, a concentração e a circulação antes de simplesmente selecionar um meio de têmpera nominalmente mais severo. Se a distorção for excessiva, examine o escoamento assimétrico, o aprisionamento de vapor, a orientação da peça e o gradiente de taxa de resfriamento ao redor de furos e cantos. Verifique novamente a concentração, a viscosidade, a condutividade térmica, a contaminação e o envelhecimento do meio de têmpera, pois estudos que utilizam o método da sonda ISO/DIS 9950 relacionaram o desempenho de resfriamento e os valores H de Grossmann a essas propriedades.

O fluxo de trabalho operacional é, portanto: identificar o grau exato do aço e a norma; registrar a geometria da seção, a temperabilidade, a microestrutura-alvo, o perfil de dureza e os limites de distorção; selecionar um método ASTM ou ISO dentro de seu escopo declarado; medir ou analisar as curvas de resfriamento documentando a temperatura, a agitação, a configuração do escoamento e a condição do banho; realizar um ensaio representativo de tratamento térmico; verificar a dureza e a metalografia; e conservar as evidências junto aos registros do lote e dos equipamentos. As normas melhoram a comparabilidade e revelam variáveis não controladas. Elas não eliminam a necessidade de validação no aço e no componente reais.

Referências

1. [1]ASTM International. Heat Transfer during Quenching and Assessment of Quench Severity—A Review. ASTM Special Technical Publication, 2024. https://store.astm.org/stp49142s.html
2. [2]Peer-reviewed study authors. Role of Quenching Method on Cooling Rate and Microstructure of Steels: Variations in Coolant and Its Flow Arrangement. Peer-reviewed study, 2022. https://htp.engin.umich.edu/wp-content/uploads/sites/119/2022/02/Jet-and-immersion-quench-boiling.pdf
3. [3]NPTEL. NPTEL materials on quench severity. NPTEL course materials, 2024. https://archive.nptel.ac.in/content/storage2/courses/113101003/parts/partVI/module3/1.3.html
4. [4]Study authors. Effect of Thermal Conductivity and Viscosity on Cooling Performance of Liquid Quench Media. Peer-reviewed study, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/quench-severity
5. [5]International Organization for Standardization. ISO 9950:1995. International Standard, 1995. https://www.iso.org/es/contents/data/standard/01/78/17848.html