hardening heat treatment

Ask the Heat Treat Doctor®: How Does One Determine Which Quench Medium To Use?

The Heat Treat Doctor® has returned to offer sage advice to Heat Treat Today readers and to answer your questions about heat treating, brazing, sintering, and other types of thermal treatments as well as questions on metallurgy, equipment, and process-related issues.

The Heat Treat Doctor® ha vuelto para ofrecer sabios consejos a los lectores de Heat Treat Today y para responder a suspreguntas sobre el tratamiento térmico, brazing, sinterizado y otros tipos de procesamiento térmico, así como preguntassobre metalurgia, equipos y problemasrelacionados con los procesos.

This article was originally published in Heat Treat Today‘s September 2024 People of Heat Treat print edition.

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Quenching is a critical step in the heat treating process. And while there are often several choices available to the heat treater, a delicate balance exists between what is available to us and how we can optimize its performance characteristics to meet our client’s requirements/specifications. Material, part design (geometry), pre-and post-manufacturing requirements, loading, allowable dimensional change (i.e., distortion), and the process itself must be taken into careful consideration. Let’s learn more.

Quenchants — A Brief Overview

Today’s quenchants offer a broad and, in some instances, overlapping range of capabilities. But at a fundamental level, the role of a quenchant is to extract heat from the part surface to meet a specified critical cooling rate and achieve the desired microstructure in the component part necessary to achieve the required mechanical and physical properties. In hardening of steels, for example, one must miss the “nose” of the time-temperature transformation (TTT) curve if the desired end-result is a martensitic (or bainitic) microstructure. By contrast, the cooling rate for a normalizing process requires cooling in “still air” — a term that is often misunderstood and which we will cover in a future discussion.

Figure 1. Common types of quenchants and their effect on distortion (See Reference 1)

However, a quenchant (Figure 1) is more than just its cooling rate. Quenchants should be stable over their service life, especially with respect to degradation (e.g., oxidation), be safe, be easy to service and maintain, have a high vaporization point, ideally not interact with the part surface, be used within their optimum performance range, have long life, be easily removed by cleaning after quenching, and be cost effective.

As a very broad-based characterization, quenchants can be divided into the following general categories:

  • Liquid quenchants (e.g., water-based, oils, polymers, molten salts, and molten metals)
  • Gaseous quenchants (e.g., air, nitrogen, argon, hydrogen, steam, carbon dioxide, sulphur dioxide, reducing gases, protective atmospheres — synthetic or generated, high-pressure gases)
  • Solid quenchants (e.g., water-cooled dies, plates, powders)
  • Mixed media quenchants (e.g., mist or fog quenching, fluidized beds)
Figure 2. Ishikawa (aka fishbone) diagram of quenching variables (See Reference 1)

Selection of the Optimal Quench Medium

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Various factors must be taken into consideration when selecting the best quench medium. The following are some of the important considerations when selecting the proper quench medium (Figure 2):

  • Material — chemistry, hardenability, form (e.g., bar, plate, forging, casting), type (e.g., wrought, powder metal), and cleanliness to name a few
  • Part geometry/design — shape, size, weight, complexity
  • Mill or preheat treatment condition — annealed, normalized, pre-hardened, stress-relieved
  • Stress state — the cumulative effect of both mill operations and customer manufacturing operations prior to heat treatment
  • Loading — baskets (alloy, C/C composites, graphite plates, etc.)
  • Process parameters — temperature, time, preheating
  • Equipment selection — is it optimal or simply adequate for the job?
  • Quench medium(s) available — their limitations as well as their advantages

It is important to talk briefly here about two aspects of the quench medium selection process. First, note the difference between hardness and hardenability (which we will discuss in more detail in the future). Heat treaters tend to focus on hardness (since we can easily measure it in our shops), but hardenability is a critical consideration in quench medium selection. Hardenability is a material property independent of cooling rate and dependent on chemical composition and grain size. When evaluated by hardness testing, hardenability is defined as the capacity of the material under a given set of heat treatment conditions to harden “in-depth.” In other words, hardenability is concerned with the “depth of hardening,” or the hardness profile obtained, not the ability to achieve a particular hardness value. When evaluated by microstructural techniques, hardenability is defined (for steels) as the capacity of the steel to transform partially or completely from austenite to a defined percentage of martensite.

Table 1. Average and instantaneous values of the heat transfer coefficient (See Reference 3)

Second, one must be aware of both the average and instantaneous value of the heat transfer coefficient alpha of the quench medium. Although the maximum quenching “power” may be described by the instantaneous heat transfer coefficient, the average heat transfer coefficient (Table 1) provides a better relative comparison of the various quenching media since it represents the value of the heat transfer coefficient over the entire range of cooling (from the start to the end of quenching). It is important to remember that the ability to manage (not control) distortion is a delicate balancing act between uniform heat extraction and proper transformation.

A Common Example — Quench Oil Selection

Important factors to consider when selecting a quench oil, which hold true in a slightly modified form for most liquid quenchants, are: the type of quenchant (i.e., quench characteristics, cooling curve data — new and over time); quench speed (see Table 2); usage temperature; effective quench tank volume (i.e., the one gallon per pound of steel [8.4 L/kg] rule); and the client’s requirements.

Table 2. Classification of quench oils (See Reference 1)

Quench tank design factors also play an important role and involve the following:

  • Volume of oil in the quench tank
  • Number of agitators or pumps
  • Location of agitators
  • Type of agitators (fixed or variable speed)
  • Internal tank baffle arrangement (draft tubes, directional flow vanes, etc.)
  • Quench elevator design (i.e., flow restrictions)
  • Quenchant flow direction (up or down through the load)
  • Propeller size (diameter, clearance in draft tube)
  • Maximum (design) temperature rise of the oil after quenching
  • Height of the oil over the workload
  • Heat exchanger — type, size, heat removal rate (instantaneous BTU/minute)
  • Oil recovery time to setpoint

Finally, consideration must be given to factors such as: part mass; part geometry (e.g., thin and thick sections, sharp corners and holes, gear tooth profile/modulus, thread profile, etc.); part spacing in the load; effective flow velocity through the quench area (empty and with a load); stress state from prior (manufacturing) operations; post heat treat operations to be performed (if any); loading including the grids, baskets, and fixture (material and design); and the material (chemistry and hardenability).

Final Thoughts

Quenching, considered by many to be a complex and multi-faceted subject, is one heat treaters must constantly monitor and control. In future installments we will be discussing many of the individual aspects of quenching. What is important here is to recognize that done correctly, quenching
(in whatever form) will optimize a given heat treatment and help produce the highest quality parts demanded by the industries we serve.

References

Daniel Herring, Atmosphere Heat Treatment, Volume II: Atmospheres | Quenching | Testing (BNP Media Group, 2015).

Božidar Liščić et al., Quenching Theory and Technology, Second Edition (CRC Press, Taylor Francis Group, 2010).

Daniel Herring, “A Review of Gas Quenching from the Perspective of the Heat Transfer Coefficient,” Industrial Heating, February 2006.

About the Author

Dan Herring
“The Heat Treat Doctor”
The HERRING GROUP, Inc.

Dan Herring has been in the industry for over 50 years and has gained vast experience in fields that include materials
science, engineering, metallurgy, new product research, and many other areas. He is the author of six books and over
700 technical articles.

For more information: Contact Dan at dherring@heat-treat-doctor.com.

For more information about Dan’s books: see his page at the Heat Treat Store.


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Consulta a The Heat Treat Doctor®:¿Cómo determinar cuál medio detemple utilizar?

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El temple es un paso fundamental en el proceso de tratamiento térmico. Y si bien el especialista en tratamiento térmico suele tener varias opciones disponibles, existe un delicado equilibrio entre lo que está disponible para nosotros y cómo podemos optimizar sus características de rendimiento para cumplir con los requisitos/especificaciones de nuestros clientes. Se deben tener en cuenta cuidadosamente el material, el diseño de la pieza (geometría), los requisitos previos y posteriores de manufactura, la carga, el cambio dimensional permitido (es decir, la distorsión) y el proceso como tal. Conozcamos más.

Medios de temple: una breve Descripción

Los medios de temple actuales ofrecen una amplia gama de capacidades que, en algunos casos, se traslapan. Sin embargo, en un nivel fundamental, la función de un medio de temple es extraer calor de la superficie de la pieza para cumplir con una velocidad crítica de enfriamiento especificada y con ello lograr la microestructura necesaria para lograr las propiedades mecánicas y físicas requeridas. En el temple de aceros, por ejemplo, se debe evitar pasar por la “nariz” de la curva de transformación-tiempo-temperatura (TTT) si el resultado final deseado es una microestructura martensítica (o bainítica). Por el contrario, la velocidad de enfriamiento para un proceso de normalización requiere enfriamiento “al aire”, un término que a menudo se malinterpreta y que abordaremos en una discusión futura.

Figura 1. Medios de Temple comunes y su efecto en la distorsión (1)

Sin embargo, un medio de temple (Figura 1) es más que solo su velocidad de enfriamiento. Los medios de temple deben ser estables durante su vida útil, especialmente con respecto a la degradación (por ejemplo, oxidación), ser seguros, ser fáciles de arreglar y mantener, tener un alto punto de vaporización, idealmente no interactuar con la superficie de la pieza, usarse dentro de su rango de rendimiento óptimo, tener una larga vida útil, eliminarse fácilmente mediante limpieza después del temple y ser rentables.

A manera de una caracterización muy amplia, los medios de temple se pueden dividir en las siguientes categorías generales:

  • Medios de temple líquidos (p. ej., a base de agua, aceites, polímeros, sales fundidas y metales fundidos)
  • Medios de temple gaseosos (p. ej., aire, nitrógeno, argón, hidrógeno, vapor, dióxido de carbono, dióxido de azufre, gases reductores, atmósferas protectoras sintéticas o generadas, gases a alta presión)
  • Medios de temple sólidos (p. ej., dados de prensa enfriados, placas y polvos)
  • Medios de medios mixtos (p. ej., temple por aspersión, lechos fluidizados)
Figura 2. Diagrama de Ishikawa (también conocido como de pescado) de las variables de temples (1)

Selección del medio de temple óptimo

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Se deben tener en cuenta varios factores al seleccionar el mejor medio de temple. A continuación, se enumeran algunos de los aspectos importantes a tener en cuenta al seleccionar el medio adecuado (Figura 2):

  • Material: composición química, templabilidad, forma (p. ej., barra, placa, forja, fundición), tipo (p. ej., forjado, sinterizado) y limpieza, por nombrar algunos
  • Geometría/diseño de la pieza: forma, tamaño, peso, complejidad
  • Estado de laminación o tratamiento térmico previo: recocido, normalizado, preendurecido, relevado de esfuerzos
  • Estado de tensión: el efecto acumulativo de las operaciones de laminación y las operaciones de fabricación del cliente antes del tratamiento térmico
  • Carga: canastillas (aleación, compuesto C/C, placas de grafito, etc.)
  • Parámetros del proceso: temperatura, tiempo, precalentamiento
  • Selección del equipo: ¿es óptimo o simplemente adecuado para el trabajo?
  • Medio(s) de temple disponibles: sus limitaciones y ventajas

Es importante hablar brevemente aquí sobre dos aspectos del proceso de selección del medio de temple. Primero, observar la diferencia entre dureza y templabilidad (que analizaremos con más detalle en el futuro). Los tratadores térmicos tienden a centrarse en la dureza (ya que podemos medirla fácilmente en nuestro taller), pero la templabilidad es una consideración crítica en la selección del medio de temple. La templabilidad es una propiedad del material independiente de la velocidad de enfriamiento y dependiente de la composición química y el tamaño del grano. Cuando se evalúa mediante pruebas de dureza, la templabilidad se define como la capacidad del material bajo un conjunto dado de condiciones de tratamiento térmico para endurecerse “en profundidad”. En otras palabras, la templabilidad se relaciona con la “profundidad de endurecimiento”, o el perfil de dureza obtenido, no con la capacidad de alcanzar un valor de dureza particular. Cuando se evalúa mediante técnicas microestructurales, la templabilidad se define (para aceros) como la capacidad del acero para transformarse parcial o completamente de austenita a un porcentaje definido de martensita.

Tabla 1. Valores medios e instantáneos del coeficiente de transferencia de calor (3)

En segundo lugar, se debe tener en cuenta tanto el valor medio como el instantáneo del coeficiente de transferencia de calor alfa (α) del medio de temple. Aunque la “potencia” máxima de temple se puede describir mediante el coeficiente de transferencia de calor instantáneo, el coeficiente de transferencia de calor promedio (Tabla 1) proporciona una mejor comparación relativa de los diversos medios de temple, ya que representa el valor del coeficiente de transferencia de calor en todo el rango de enfriamiento (desde el inicio hasta el final del temple). Es importante recordar que la capacidad de gestionar (no controlar) la distorsión es un delicado acto de equilibrio entre la extracción uniforme del calor y la transformación adecuada.

Tabla 2. Clasificación de los aceites de temple (1)

Un ejemplo común: selección de aceite de temple

Los factores importantes a tener en cuenta al seleccionar un aceite de temple, que son válidos en una forma ligeramente modificada para la mayoría de los medios líquidos, son: el tipo de medio (es decir, características del temple, datos de la curva de enfriamiento, nuevo y a lo largo del tiempo); velocidad de temple (consulte a Tabla 2); temperatura de uso; volumen efectivo del tanque de enfriamiento [es decir, la regla de un galón por libra de acero (8,4 L/kg)]; y los requisitos del cliente.

Los factores de diseño del tanque de temple también juegan un papel importante e involucran lo siguiente:

  • Volumen de aceite en el tanque de temple
  • Número de recirculadores o bombas
  • Ubicación de los recirculadores
  • Tipo de recirculadores (velocidad fija ovariable)
  • Disposición de los deflectores internos del tanque (tubos de aspiración, álabes de flujo direccional, etc.)
  • Diseño del elevador de temple (es decir, restricciones de flujo)
  • Dirección del flujo del temple (hacia arriba o hacia abajo a través de la carga)
  • Tamaño de la propela (diámetro, espacio libre en el tubo de aspiración)
  • Máximo incremento dela temperatura (diseño) delaceite después del temple
  • Altura del aceite sobre la carga
  • Intercambiador de calor: tipo, tamaño, tasa de extracción de calor (BTU instantáneos/minuto)
  • Tiempo de recuperación del aceite hasta el set point

Por último, se deben tener en cuenta factores como: la masa de la pieza; la geometría de la pieza (por ejemplo, secciones delgadas y gruesas, esquinas y barrenos afilados, perfil de los dientes del engrane, perfil de la rosca, etc.); espaciamiento de la pieza en la carga; velocidad de flujo efectiva a través del área de temple (vacía y con carga); estado de tensión de operaciones anteriores (de manufactura); operaciones de tratamiento térmico posteriores a realizar (si las hay); carga, incluidas las charolas, las canastillas y el herramental (material y diseño); y el material (composición química y templabilidad).

Reflexiones finales

El temple, considerado por muchos como un tema complejo y multifacético, es un asunto que los especialistas en tratamiento térmico deben supervisar y controlar constantemente. En futuras entregas, analizaremos muchos de los aspectos individuales del temple. Lo importante aquí es reconocer que, si se realiza correctamente, el temple (en cualquier forma) optimizará un tratamiento térmico determinado y ayudará a producir las piezas de la más alta calidad que exigen las industrias a las que prestamos nuestros servicios.

Referencias

Daniel Herring, Atmosphere Heat Treatment, Volume II: Atmospheres | Quenching | Testing (BNP Media Group, 2015).

Bozidar Liscic et al., Quenching Theory and Technology, Second Edition (CRC Press, Taylor Francis Group, 2010).

Daniel Herring, “A Review of Gas Quenching from the Perspective of the Heat Transfer Coefficient,” Industrial Heating, February 2006.

Sobre el autor

Dan Herring
“The Heat Treat Doctor”
The HERRING GROUP, Inc.

Dan Herring ha trabajado en la industria durante más de 50 años y ha adquirido una vasta experiencia en campos que incluyen ciencia de materiales, ingeniería, metalurgia, investigación de nuevos productos y muchas otras áreas. Dan es
autor de seis libros y más de 700 artículos técnicos.

Para más información: Comuníquese con Dan en dherring@heat-treat-doctor.com.

For more information about Dan’s books: see his page at the Heat Treat Store.


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International Military Equipment Heat Treaters Receive Vacuum Furnace

Maciej Korecki
Vice President of the Vacuum Furnace Segment
SECO/WARWICK
(source: SECO/WARWICK)

AHTD Size-PR Logon international arms and military equipment manufacturer in Brazil needed to quickly expand and was recently able to receive a new vacuum furnace to meet their manufacturing demands.

The solution was provided by the parent company to North American SECO/VACUUM, SECO/WARWICK. Their furnace, the VECTOR®, is a single-chamber vacuum furnace that uses gas quenching and can be used for multiple metal heat treatment applications and processes. In this configuration, equipped with a round graphite heating chamber, it may be used for most standard processes including hardening, tempering, annealing, solutionizing, brazing and sintering.

"A situation where we have a product almost ready to be collected is rare. This time, the customer was indeed looking for a standard solution," said Maciej Korecki, vice president of the Vacuum Furnace Segment at the SECO/WARWICK Group.

(source: vidar nordli mathisen at Unsplash.com)

(source: SECO/WARWICK)

 

 

 

 

 

 

 

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