Os aços para trabalho a quente do tipo 1.2343 e 1.2344 são usados há décadas na manufatura de ferramentas de fundição sob pressão e em molde permanente (coquilha), dando bons resultados na prática.

No entanto, a condutividade térmica dos aços de alta liga deste tipo é mais moderada, de modo que o calor liberado pela peça fundida é transportado mais lentamente através da matriz ou da coquilha.

Em virtude do aumento das dimensões e da complexidade das peças, a estratégia apropriada de resfriamento e o condicionamento térmico das ferramentas de fundição assumiram um papel importante nos últimos anos.

Os fabricantes de aço conseguiram melhorar a qualidade dos aços-ferramenta com o emprego de novos métodos, como por exemplo a refusão sob escória condutora. Desta maneira, a condutividade térmica ficou um pouco maior, mas a distância em relação aos aços de baixa liga, na faixa entre a temperatura

Fig. 1 - Com esta instalação Laserflash, foi determinada uma grande parte dos dados termodinâmicos dos aços para trabalho a quente

Fig. 2 – Capacidade térmica específica em função da temperatura

ambiente a até aproximadamente 500°C, ainda é bastante grande. Para resolver este problema, há alguns anos foi desenvolvido um aço-ferramenta que apresenta uma condutividade térmica claramente maior[1].

O teste de um novo material para ferramentas de fundição sob pressão ou em moldes permanentes é impensável sem a utilização da simulação numérica. Para se ter uma ideia da importância desta técnica, basta mencionar que ela é capaz de planejar e testar antecipadamente o condicionamento térmico da coquilha ou da matriz, que é alterado pela condutividade térmica. Para isso, no entanto, é necessário utilizar os dados termofísicos dependentes da temperatura, como parâmetros de entrada.

Neste artigo, são apresentadas as medições da capacidade térmica, da dilatação térmica, da densidade e da condutividade térmica do aço HTC S-130, além dos resultados obtidos entre a temperatura ambiente e 700°C. A partir deles, a condutividade térmica foi calculada.

Confecção do material e dos corpos de prova

As amostras examinadas foram extraídas de um bloco no estado mole (dureza Brinell 172 e HBW 10/3000, segundo a DIN EN ISO 6506-1). Para cada uma das medições, foram confeccionadas duas amostras em paralelo, cujas composições químicas estão na tabela 1.

Os elementos carbono (C) e enxofre (S) foram determinados por meio da combustão e da detecção infravermelha, utilizando um aparelho CS 200, da Leco. O silício (Si), por sua vez, foi determinado por processo gravimétrico, após a digestão ácida. Todos os elementos restantes foram definidos via espectrometria de emissão óptica por plasma acoplado a indução, apósdigestão ácida. Os baixos teores de cromo (Cr) e vanádio (V) chamaram atenção.

Capacidade térmica específica

A capacidade térmica específica das amostras foi determinada utilizando-se um calorímetro diferencial de fluxo térmico.

Neste caso, dois cadinhos foram aquecidos, de acordo com um programa de temperatura controlada. Um deles estava vazio, enquanto no outro havia a amotra a ser examinada. A diferença de temperatura de ambos foi medida em um trecho definido de condução térmica, disposto em posição intermediária.

Este fluxo térmico foi comparado com uma medição de calibração, na qual o material de referência é submetido ao mesmo programa de temperatura que a amostra. Para corrigir a diferença das massas dos dois cadinhos e outras assimetrias do equipamento, o fluxo térmico entre os dois cadinhos vazios também foi medido, servindo como ponto de partida. Para esta medição, foi utilizado um calorímetro diferencial de fluxo de calor, modelo DSC 404 Pegasus, da Netzsch. As

Fig. 3 – Coeficiente de dilatação térmica em função da temperatura

Fig. 4 - Condutividade da temperatura em dependência da temperatura

medições foram realizadas de acordo com a norma austríaca EN 821-3 (2005)[2].

A temperatura do suporte do cadinho e a diferença de temperatura no trecho de condução térmica foram medidas com termoelementos do tipo S. O material de referência utilizado foi o molibdênio (Mo) S R M 781, cuja capacidade térmica específica em função da temperatura foi certificada[3].

Os pesos das amostras (aproximadamente 300 mg) e do molibdênio foram determinados em uma balança analítica Sartorius ED224S. Os cadinhos eram de platina e as medições foram feitas com uma taxa de aquecimento ou resfriamento constante, de 20°C/min, sob uma atmosfera de argônio (99,999 %) como gás de proteção.

A figura 2 traz os resultados das medições da capacidade térmica específica, que não apresentaram quaisquer anomalias durante o aquecimento. Portanto, ela passa a ser denominada capacidade térmica específica real.

No resfriamento a partir de 750°C, o sinal foi sobreposto por duas reações endotérmicas nas temperaturas de 500°C e 650°C, aproximadamente. Por este motivo, a tabela 2 indica os valores medidos durante o aquecimento.

Os dados da capacidade térmica específica (c ) determinados em pfunção da temperatura (T) podem ser apresentados como uma função polinomial na faixa de 100°C a 700°C, conforme a equação:

A incerteza de medição ampliada da capacidade térmica específica foi avaliada como sendo de ±3%. Ela

Fig. 5 – Condutividade térmica do aço HTCS-130, do aço para trabalho a quente convencional e do ferro puro, em função da temperatura

 

corresponde ao dobro da incerteza padrão (k= 2), que indica um grau de confiança em torno de 95% para uma distribuição normal.

Dilatação térmica e densidade

A dilatação linear térmica da amostra foi determinada com o auxílio de um dilatômetro diferencial duplo. Neste caso, foi medida a diferença da dilatação da amostra e do suporte do corpo de prova tubular. Para efetuar a calibração, é necessário registrar a curva de dilatação de um corpo de prova, cujo comportamento de dilatação em função da temperatura seja conhecido.

As medições com o dilatômetro modelo 402E, da Netzsch, foram executadas conforme a norma DIN 51 045 Parte 1 (2005) [4] . O suporte do corpo de prova, assim como o corpo de referência, foram confeccionados em vidro silicioso e óxido de alumínio, respectivamente.

A diferença de dilatação entre a amostra, a haste apalpadora e o suporte do corpo de prova tubular ocasionou o deslocamento do núcleo de ferro da bobina de impedância diferencial, que faz parte de um circuito em ponte que está sendo equilibrado.

A temperatura na câmara do forno foi medida com um termoelemento do tipo S, na proximidade imediata da amostra. A força de pressão dos apalpadores ficou em 0,04 N.

Um micrômetro foi utilizado para medir o comprimento da amostra (comprimento nominal de 25 mm e diâmetro de 6 mm), à temperatura ambiente. Todas as medições foram realizadas sob uma atmosfera protetora de argônio. A alteração do comprimento foi comparada com o comprimento da amostra à temperatura ambiente (20°C).

As medições até 400°C foram realizadas de forma estática. Cada nível de temperatura foi mantido por mais de uma hora, para ser alcançado o equilíbrio térmico. A dilatação foi medida em seguida.

A partir de 500°C, as medições foram feitas de forma dinâmica, com uma taxa de aquecimento de 3°C/min. O material de referência utilizado foi o aço austenítico SRM 738, cuja alteração do comprimento em dependência da temperatura foi certificada[5].

A densidade das amostras na temperatura ambiente foi determinada com o auxílio de uma balança de Arquimedes modelo Sartorius LA 230S-OCE. A densidade (ρ) em função da temperatura (massa específica) foi calculada considerando-se a densidade medida

à temperatura ambiente (ρ₀ ) e a expansão linear relativa (Δl/l₀, em %), conforme a equação:

Os valores da expansão linear relativa em função da temperatura podem ser apresentados como uma função polinomial na faixa de temperatura entre 20°C e 700°C, com o auxílio da seguinte equação:

A tabela 2 traz os resultados das medições da dilatação linear térmica, do coeficiente de dilatação térmico (com relação a 20°C) e da densidade do aço HTCS-130. A figura 3, por sua vez, apresenta o coeficiente de dilatação térmico em função da temperatura.

A incerteza de medição ampliada da alteração relativa do comprimento foi avaliada em ±0,004%, a 100°C, e em ±0,020%, a 700°C. Isso corresponde a uma incerteza de medição de ±0,3 μm/m°C à temperatura de 100°C, e de ±0,5 μm/m°C a 700°C (figura 3). O erro total da medição da densidade sobre toda a faixa de temperatura ficou em torno de ±0,4 %.

Condutividade térmica

A condutividade térmica das amostras foi determinada por meio do método Laser-Flash, de acordo com a norma austríaca EN 821-2 (1997)[6] . Neste caso, uma área da amostra foi aquecida repentinamente com um raio laser, para medir a evolução da temperatura do lado oposto.

A condutividade térmica foi calculada a partir do aumento da temperatura e da espessura da amostra, levando em consideração a radiação térmica e a duração do pulso laser. Para a medição, foi utilizada uma instalação LaserFlash, modelo LFA 427, da Netzsch.

A duração do pulso laser alcançou 500 μs, com uma tensão de 450-500 V.

O aumento da temperatura foi medido com um detector de índioantimônio (In-Sb) refrigerado por nitrogênio (N) e avaliado de acordo com o processo Cape-Lehmann, com correção da duração do pulso.

A temperatura da amostra foi calculada com um termoelemento do tipo S. A sua espessura, por sua vez, foi determinada com o uso de um micrômetro.

Com o objetivo de melhorar as propriedades ópticas, foi aplicada uma camada de grafite com aproximadamente 5 μm na amostra. A medição foi feita sob atmosfera de argônio. A alteração da espessura da amostra durante o aquecimento foi considerada nos resultados da expansão térmica. A tabela 2 e a figura 4 apresentam os dados das medições da condutividade térmica do aço HTCS-30.

A condutividade térmica (a) em função da temperatura (T) pode ser apresentada como uma função polinomial na faixa entre 100°C e 700°C, com o auxílio da equação:

Condutividade térmica

Nas faixas de temperatura de um material não sujeito a transformações, a condutividade térmica (λ) pode ser calculada a partir da condutividade térmica (a), da densidade (ρ) e da capacidade térmica específica (c_p ), em função da temperatura (T), por meio da equação:

A tabela 2 e a figura 5 apresentam os resultados das medições da condutividade térmica (λ) do aço HTCS-130. Estes valores assumem uma linha reta, com um desvio máximo de ±1,5%, a qual é representada pela equação:

Discussão dos resultados

Na figura 5 são mostrados os resultados da condutividade térmica obtidos neste trabalho, em comparação com os dados fornecidos pela empresa Rovalma S. A.[1]. Os dados relativos aos aços-ferramenta da austríaca Böhler Edelstahl GmbH & Co. KG [7] e os dados de referência de um ferro extremamente puro também são apresentados nesta ilustração[8] .

A condutividade térmica do aço HTC S-130 à temperatura ambiente alcançou aproximadamente o dobro da condutividade térmica dos aços-ferramenta comuns. Ela também ficou bem maior na faixa de trabalho de até 500°C, aproximando-se dos valores dos aços de alta liga (valor de referência 30 W/Km) somente a 700°C.

Os valores indicados pela empresa Rovalma parecem ser bastante otimistas. Afinal, é muito duvidoso que a 400°C um aço possua uma condutividade térmica maior do que a de um ferro puríssimo.

É ainda necessário mencionar que as medições atuais foram feitas no estado mole do material, de modo que a condutividade térmica obtida poderia ser um pouco maior do que no estado “de utilização”.

A referência bibliográfica 1 indica um coeficiente de dilatação térmica bastante baixo, mas neste caso falta uma descrição mais precisa (diferencial ou técnica, assim como de uma temperatura de referência). Desta forma, as indicações não podem ser comparadas diretamente com as medições feitas no âmbito deste trabalho.

No resumo de Richter[9], o aço HTCS-130 é classificado dentro da faixa dos aços carbono comuns e aços de baixa liga, conforme esperado. Isso quer dizer que o seu coeficiente de dilatação térmica é maior do que o dos aços clássicos para trabalhos a quente.

O emprego de aços-ferramenta com excelente condutividade térmica na fundição em matrizes ou coquilhas poderia ser uma grande vantagem, especialmente para peças submetidas a altas solicitações térmicas, uma vez que a vida útil destes fundidos poderia ser aumentada drasticamente.

Somente a prática poderá confrontar as vantagens e desvantagens do emprego de uma alta condutividade térmica na fundição em molde permanente e sob pressão. Também deve-se considerar a possibilidade dos fabricantes de aços-ferramenta desenvolverem conceitos mais aprimorados a partir de agora.