Polímero não pegajoso para aplicações em sistemas robotizados de resfriamento - Industrial Heating
Polímero não pegajoso para aplicações em sistemas robotizados de resfriamento
Publicado por Renata Leal Figueira em 17 de março de 2014
Os polímeros, comparados aos óleos minerais largamente utilizados em tratamento térmico, normalmente oferecem resistência ao fogo e sua biodegradabilidade promove uma redução dos riscos ambientais
Atualmente, os meios de resfriamento que promovem melhor controle de distorção e eliminação de trincas em processos de têmpera por indução são as soluções aquosas de polímeros [1]. Esses fluidos, comparados aos óleos minerais largamente utilizados em tratamento térmico, normalmente oferecem resistência ao fogo e sua biodegradabilidade promove uma redução dos riscos ambientais [2].
Uma propriedade única desses polímeros é a "solubilidade inversa" [3]. Há uma temperatura crítica, geralmente em torno de 70°C, acima da qual o polímero se separa da solução aquosa, mas é um processo reversível. Assim, durante o resfriamento, ao redor da peça quente, forma-se uma camada rica em polímero e, à medida em que a temperatura do metal se aproxima da temperatura do banho, esta camada se dissolve fornecendo novamente uma concentração uniforme do banho de têmpera.
As soluções de polímeros deixam um resíduo na superfície da peça resfriada devido a formação de filme [4]. Uma vantagem do polímero PAG (polialquilenoglicol) é que são queimados, "limpando" a peça durante o revenimento posterior, oposto do que acontece quando ocorre a formação de um filme não dúctil [5], parecido com um verniz, que demanda grande trabalho para ser removido. Entretanto, esse resíduo vaporizável do polímero PAG pode ser transferido para os sistemas automáticos, robôs e sistemas transportadores, causando interferências no processo de manipulação. Esse é um problema bastante comum nos sistemas de têmpera por indução. Nessas situações, um polímero que forme um filme não pegajoso (NP) deve ser preferido.
Dois dos primeiros desenvolvimentos de polímeros NP para uso nesses sistemas foram derivados dos polímeros PVP (polivinilpirrolidona) [4] e PEOX (polietil oxazoline) [6]. Entretanto, em alguns casos, o resíduo "não pegajoso" (NP), mas duro, produzido por esses polímeros, acabou provocando necessidade de se adicionar etapas na produção relativas à sua remoção. Adicionalmente, existe uma contínua necessidade do desenvolvimento de polímeros NP, que poderiam ser facilmente removidos numa operação de revenido posterior.
O novo polímero NP desenvolvido a partir do HEC [7] (hidroxietil celulose) convencionalmente tem sido usado para outras aplicações, como indústrias de agricultura, cosméticos, detergentes, polimerização de látex, produção de óleo, indústrias de papel e têxtil. Entretanto, em função de não formar película pegajosa, foi escolhido como base para a formulação do novo fluido.
As variáveis, concentração da solução, temperatura do banho e grau de agitação, têm forte influência nas características de resfriamento.
Em relação à agitação, como era de se esperar, à medida em que ela aumenta tem-se uma troca de calor mais efetiva, refletindo em aumento da taxa de resfriamento. Como esperado, a agitação promove aumento da taxa máxima de resfriamento (2º estágio), praticamente não havendo alteração no 3º estágio quando a transformação martensítica ocorre. Essa é uma característica apresentada também pelas soluções de polímero PAG, sendo uma das vantagens do uso das soluções de polímeros, pois a agitação pode ser aumentada, melhorando a uniformidade do resfriamento, sem que a faixa de transformação martensítica sofra aumentos de velocidade, o que potencializaria o risco de trincas e distorções.
Quando a temperatura do banho é aumentada, o comportamento do banho a 25°C apresentou maior taxa de resfriamento, seguido pela temperatura de 35°C. No terceiro estágio (± a 300°C), as variações das taxas com a temperatura são menos significativas para essas condições de ensaio.
Variando-se as concentrações de 3% a 30%, mantendo-se a temperatura de 25°C e 1000 rpm, verificamos que as maiores concentrações são responsáveis por taxas máximas de resfriamento menores (2º estágio), como observado nas concentrações de 25% e 30%. Assim, observa-se uma drástica redução da taxa máxima de resfriamento quando a concentração é aumentada de 3% para 30%. À medida em que se aumenta a concentração da solução, aumenta-se a viscosidade, diminui-se o molhamento e a espessura do filme formado é maior, desencadeando um atraso no esfriamento.
Não se observa formação do 1º estágio de resfriamento mesmo para as maiores concentrações, pois a temperatura do banho é baixa (25°C) e agitação de 1000 rpm está presente. Para essa faixa de concentração (3% – 30%), as taxas a 300°C, correspondentes ao 3º estágio, sofrem maiores variações. Na Figura 1 são apresentadas as taxas de resfriamento dos polímeros à base de PAG e HEC para 5% de concentração, 25°C a uma agitação de 1000 rpm. O que se observa é que os comportamentos são similares para as mesmas condições de ensaio, fato esse observado também para outros ensaios com diferentes condições do banho. Isso, a princípio, poderia induzir, no caso de substituição de soluções PAG por HEC, a se fazer essa substituição de maneira direta, ou seja, se no processo é usado uma solução de PAG 5%, seria substituída por outra HEC de mesma concentração.
Como conclusão principal podemos dizer que, usando como base o HEC, polímero não tradicionalmente usado para tratamento térmico, foi possível formular um fluido de têmpera com características de resfriamento compatíveis com a aplicação sugerida e apresentando a propriedade de não deixar como resíduo superficial à formação de filme pegajoso.
Este novo produto apresenta ainda custos de produção similares aos polímeros à base de PAG.
[1] D.J. Williams, "Quench Systems for Induction Hardening", Metal Heat Treating, 1995, July/August, p. 33-37.
[2] D.R. Stovicek, "An Update on Polymer Quenchant", Metal Heat Treating, 1994, March/April, p.49-51.
[3] H.M. Tensi, A. Stich and G.E. Totten, "Fundamentals of Quenching", Metal Heat Treating, 1995, March/April, p. 20-28.
[4] G.E. Totten, C.E. Bates, and N.A. Clinton, Handbook of Quenchants and Quenching Technology, ASM International, Materials Park, OH, 1993.
[5] G.E. Totten, "Polymer Quenchants: The Basics", Adv. Mat. & Proc., 1990, March, p. 51-53.
[6] J. Hasson, "Guidelines for Selecting Polymer Quenchants", Metal Heat Treating, 1996, July/August, p. 27-30.
[7] Corning Down. Literatura Técnica do Hydroxyethyl Cellulose. Brasil, 2002.
Fig. 1. Taxa de resfriamento comparativo entre os polímeros HEC X PAG (5% – 25ºC -1000rpm)
Renata Leal Figueira
é graduada pela FASB (Faculdade São Bernardo) e possui mestrado em Engenharia de Materiais pela USP São Carlos. Atualmente é responsável pelo desenvolvimento de novos produtos na empresa Archem Química Ltda