Evaluation of SAE 1045 quenching using biofluids of vegetable source

Biofluidos como meio de resfriamento para têmpera já são utilizados há centenas de anos. No entanto, aplicações industriais ainda são limitadas e com poucos estudos neste sentido. Apesar de inúmeras vantagens em relação aos de origem mineral (principalmente baixa toxicidade e biodegradabilidade) os óleos vegetais possuem baixa estabilidade térmica, mas que pode ser melhorada por meio de reações químicas ou adição de antioxidantes. Neste trabalho estudou-se o potencial de aplicação como fluido de tempera de cinco fluidos vegetais, óleos de soja, soja epoxidado, girassol, girassol alto oleico e oliva; e que foram comparados entre si e com um fluido mineral comercial utilizado para têmpera. Para isto, estes óleos foram caracterizados em termos de composição de ácidos graxos (AG) e propriedades de resfriamento. Os teores de AG, bem como as massas moleculares, foram determinadas utilizando a técnica de Ressonância Magnética Nuclear de Hidrogênio. Os óleos de girassol e soja apresentaram maiores teores de AG poli-insaturados, enquanto que o de oliva apresentou maior teor de ácido oleico. Destaque deve ser dado ao óleo de soja epoxidado que apresentou valores até quatro vezes maior de viscosidade quando comparado aos outros fluidos vegetais. O óleo mineral, como esperado, exibiu viscosidade muito inferior aos outros óleos, o que promove taxas de resfriamento superiores. As curvas de resfriamento, geradas com base na ASTM D6200, destes fluidos exibiram mudança de propriedades após ensaios consecutivos, contudo este comportamento mostrou-se mais sutil para os óleos de soja epoxidado, de girassol alto oleico e oliva. Desta forma, estes (incluindo o óleo mineral) foram selecionados como fluidos de resfriamento na têmpera do aço SAE 1045 sem agitação. Este aço foi selecionado com o intuito de averiguar mudanças mais tênues entre as têmperas, pois se trata de um aço de baixa temperabilidade. A microscopia óptica revelou, assim como as curvas de dureza em U, formação de martensita na superfície do aço após as temperas. Como esperado, o desempenho do óleo mineral se mostrou bastante superior aos óleos vegetais, formando durezas da ordem de 62 HRC na superfície. Contudo, no centro as durezas e microestrutura observadas foram bastante semelhantes. O coeficiente médio de transferência de calor, calculado a partir das curvas de resfriamento, permitiu boa correlação com as durezas e microestruturas observadas nas amostras. O Poder de Endurecimento se mostrou ineficiente para representar o comportamento dos óleos vegetais, visto que não houve boa correspondência entre os valores e durezas medidas após a têmpera. Destaque deve ser dado para o óleo de soja epoxidado e o de oliva que que exibiram maiores números de coeficiente médio de transferência de calor entre os óleos vegetais analisados e chegaram a formar em torno de 90% de martensita na superfície. Este estudo permitiu concluir que os óleos de soja epoxidado, girassol alto oleico e óleo de oliva têm potencial aplicação para têmpera, contudo existe a necessidade de maiores investigações de aditivações que contribuam melhor extração de calor de aços de baixa temperabilidade, ou então o direcionamento destes fluidos para tratamento de aços de temperabilidade superior, visto que estes oferecem taxas de resfriamento mais brandas de 300 à 200°C, minimizando o surgimento de trincas e distorções.Biofluids have been used for hundreds of years as quenchants, however, industrial applications are still limited with few researches in this context. Although many advantages can be pointed, e.g. low toxicity and biodegradability, vegetable oils present low thermal stability, that can be evaded by chemical reactions or using antioxidants. This study investigated five biofluids as potential quenching fluids, soybean, epoxidated soybean, sunflower, high oleic sunflower, and olive oil, as well as a commercial mineral oil (high speed class). In order to compare their performance and for characterization purpose, the fatty acid composition and cooling properties were evaluated. The biofluid fatty acid composition and molar mass were determined using Nuclear Magnetic Resonance of Hydrogen. Highest polyunsaturated fatty acids were found in sunflower and soybean oil; while the olive oil presented highest oleic acid percentage. The epoxidated soybean oil, when compared to other biofluids, exhibited viscosity four times greater than other biofluids. The opposite was observed for the mineral oil, less than half the value exhibited for the other vegetable oils, promoting higher cooling rates. Cooling curves were generated following instructions of ASTM D6200 standard. Property changes were observed for soybean and sunflower oils after consecutive testing, however this behaviour was attenuated for epoxidated soybean, high oleic sunflower and olive oils, due to their low polyunsaturated fatty acid content. Therefore, these oils, including the mineral oil, were selected as quenching fluids for a SAE 1045 steel bar without agitation. This steel is known for its low hardenability, which was important for this study to accurately distinguish the performance offered by each fluid. Optical microscopy revealed, as well as U curves, martensite transformation at surface after quenching. As expected, the mineral oil performance was superior to the biofluid, proving hardness about 62 HRC on surface. However, at the centre this quench provided similar microstructure and hardness. Heat transfer coefficient, calculated from cooling curves, provided good correlation between microstructure and hardness observed. The Hardening Power index proved as an inadequate method to evaluate vegetable oils cooling behaviour, since its predictions did not match the hardness measured after quench. Olive and epoxidated soybean oils exhibited greater values of Average Heat Transfer Coefficient among vegetable oils and achieved towards 90% of martensite on surface. This study proved the potential application of these biofluids for quenching, however further investigation of chemical treatments should be conducted in order to improve their heat extraction. Another possibility is the use of these quenching fluids for steels with better hardenability, considering their milder cooling rates at 300-200°C, reducing occurrence of distortion or cracks