Porque é que se formam fissuras no aço para moldes durante a têmpera e como podem ser evitadas? Este artigo explora os diferentes tipos de fissuras que podem ocorrer, desde fissuras longitudinais a fissuras por corrosão sob tensão, e fornece uma análise detalhada das causas subjacentes a cada tipo. Conheça as medidas preventivas essenciais, tais como a seleção de materiais e as técnicas de tratamento térmico, para garantir a integridade e a longevidade dos componentes de aço para matrizes nos seus processos de fabrico.
As fissuras são axiais, finas e longas.
Quando o molde é completamente temperado, ou seja, temperado sem centro, o centro é transformado em martensite temperada com o maior volume específico, gerando tensão tangencial de tração.
Quanto maior for o teor de carbono do aço da matriz, maior será a tensão de tração tangencial gerada.
Quando a tensão de tração é superior ao limite de resistência do aço, formam-se fissuras longitudinais.
Os factores que agravam a formação de fissuras longitudinais são os seguintes
(1) O aço contém uma grande quantidade de S, P, Bi, Pb, Sn, As e outras impurezas nocivas com baixo ponto de fusão.
Quando o lingote de aço é laminado, apresenta uma distribuição de segregação longitudinal grave ao longo da direção de laminagem, que é fácil de produzir concentração de tensões e formar fissuras de têmpera longitudinais, ou as fissuras longitudinais formadas pelo arrefecimento rápido após a laminagem da matéria-prima não são processadas e retidas no produto, fazendo com que as fissuras de têmpera finais se expandam e formem fissuras longitudinais;
(2) As fissuras longitudinais são fáceis de formar quando o tamanho da matriz está dentro do intervalo de tamanho sensível à fissura de têmpera do aço (o tamanho perigoso da fissura de têmpera do aço para ferramentas de carbono é de 8-15mm, e o tamanho perigoso de médio e baixo liga de aço é de 25-40mm) ou o meio de arrefecimento de têmpera selecionado excede em muito a velocidade crítica de arrefecimento de têmpera do aço.
Medidas preventivas:
(1) A inspeção do armazenamento das matérias-primas deve ser rigorosamente efectuada e o aço com impurezas nocivas que excedam a norma não deve ser colocado em produção;
(2) Fundição sob vácuo, refinação em forno ou electroslag deve ser selecionado, na medida do possível, o aço para moldes de refusão;
(3) O processo de tratamento térmico é melhorado através da adoção de aquecimento a vácuo, aquecimento em atmosfera protetora, aquecimento em forno de banho de sal totalmente desoxidado, têmpera graduada e têmpera isotérmica;
(4) A mudança da têmpera sem centro para a têmpera central, ou seja, a têmpera incompleta, e a obtenção de uma estrutura de bainite inferior com elevada resistência e tenacidade podem reduzir significativamente a tensão de tração e evitar eficazmente a fissuração longitudinal e a distorção de têmpera da matriz.
A fenda é caracterizada por ser perpendicular ao eixo.
Para o molde não endurecido, existe um grande pico de tensão de tração na parte de transição entre a zona endurecida e a zona não endurecida.
Grandes picos de tensão de tração são facilmente formados quando grandes matrizes são rapidamente arrefecidas.
Como a tensão axial formada é maior do que a tensão tangencial, geram-se fissuras transversais.
Segregação transversal de S, P, Bi, Pb, Sn, As e outros metais de baixo teor de carbono ponto de fusão Existem impurezas nocivas no módulo de forjamento ou microfissuras transversais no módulo, e formam-se fissuras transversais após a têmpera.
Medidas preventivas:
(1) O módulo deve ser forjado de forma razoável. A relação entre o comprimento e o diâmetro das matérias-primas, ou seja, a relação de forjamento, deve ser preferencialmente de 2-3.
O forjamento de direção variável de tipo cruzado duplo deve ser adotado para o forjamento.
Depois de cinco perturbações e cinco estiramentos, o forjamento a fogo múltiplo deve ser efectuado para tornar o carboneto e as impurezas no aço finos e uniformemente distribuídos na matriz de aço.
A estrutura da fibra de forjamento deve ser distribuída de forma não direcional em torno da cavidade, melhorando consideravelmente as propriedades mecânicas transversais do módulo, reduzindo e eliminando a fonte de tensão;
(2) Selecionar a taxa de arrefecimento e o meio de arrefecimento ideais: arrefecimento rápido acima da Ponto do aço é superior à taxa crítica de arrefecimento por têmpera do aço.
A tensão gerada pelo austenite no aço é a tensão térmica, a camada superficial é a tensão de compressão e a camada interior é a tensão de tração, que se compensam mutuamente, impedindo eficazmente a formação de fissuras por tensão térmica.
O arrefecimento lento entre Ms -Mf do aço pode reduzir significativamente a tensão organizacional ao formar o aço temperado martensite.
Quando a soma da tensão térmica e da tensão correspondente no aço é positiva (tensão de tração), é fácil extinguir a fissura e, quando é negativa, não é fácil extinguir a fissura.
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Utilizar plenamente a tensão térmica, reduzir a tensão de transformação de fase e controlar a tensão total para que seja negativa, o que pode evitar eficazmente as fissuras de arrefecimento transversais.
O agente de têmpera orgânico CL-1 é um agente de têmpera ideal, que pode reduzir e evitar a distorção da matriz de têmpera e controlar a distribuição razoável da camada de endurecimento.
Ajustando a proporção do agente de arrefecimento CL-1 com diferentes concentrações, podem ser obtidas diferentes taxas de arrefecimento e a distribuição da camada endurecida necessária pode ser obtida para satisfazer as necessidades de diferentes aços para moldes.
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Ocorre frequentemente em mudanças bruscas na forma dos cantos da matriz, entalhes, cavidades e flash de ligação da matriz, porque a tensão gerada nos cantos durante a têmpera é 10 vezes superior à tensão média das superfícies lisas.
Para além disso,
(1) Quanto mais elevado for o teor de carbono (C) e o teor de elementos de liga no aço, mais baixo será o ponto Ms do aço.
O ponto Ms diminui em 2 ℃, então a tendência de fissuração por têmpera aumenta em 1,2 vezes, o ponto Ms diminui em 8 ℃ e a tendência de fissuração por têmpera aumenta em 8 vezes;
(2) A transformação de diferentes microestruturas e a transformação da mesma microestrutura no aço são diferentes ao mesmo tempo.
Devido às diferentes tolerâncias específicas das microestruturas, é provocada uma enorme tensão estrutural, que leva à formação de fissuras em forma de arco na interface das microestruturas;
(3) Se a têmpera não for feita atempadamente ou se a têmpera não for suficiente, o resíduo austenite no aço não é totalmente transformado, que é retido no estado de serviço para promover a redistribuição de tensões, ou quando a matriz está em serviço, a austenite residual sofre uma transformação martensítica para produzir novas tensões internas, e quando a tensão abrangente é superior ao limite de resistência do aço, formam-se fissuras em forma de arco;
(4) O segundo tipo de aço frágil temperado é temperado lentamente a alta temperatura após a têmpera, o que leva à precipitação de P, S e outras impurezas nocivas no aço ao longo do limite do grão, reduzindo grandemente a adesão ao limite do grão e a resistência, aumentando a fragilidade e formando fissuras em arco sob a força externa durante o serviço.
Medidas preventivas:
(1) Melhorar a conceção, tornar a forma simétrica tanto quanto possível, reduzir a mudança súbita de forma, aumentar o orifício do processo e a nervura de reforço ou adotar uma montagem combinada;
(2) Os cantos redondos substituem os ângulos rectos e os cantos agudos e arestas vivase os furos passantes substituem os furos cegos para melhorar a precisão do processamento e o acabamento da superfície, reduzindo as fontes de concentração de tensões.
Para locais onde é impossível evitar ângulos rectos, cantos afiados e arestas vivas, buracos cegos, etc., os requisitos gerais de dureza não são elevados, pode ser utilizado fio de ferro, corda de amianto, lama resistente ao fogo, etc. para ligar ou encher, e podem ser criadas barreiras artificiais de arrefecimento para abrandar o arrefecimento e a têmpera, evitar a concentração de tensões e impedir a formação de fissuras em arco durante a têmpera;
(3) O aço temperado deve ser revenido a tempo de eliminar parte da têmpera tensão interna e evitar que a tensão de arrefecimento se expanda;
(4) Temperar durante um longo período de tempo para melhorar a resistência à fratura da matriz;
(5) Totalmente temperado para obter uma estrutura e propriedades estáveis;
(6) A têmpera repetida pode transformar completamente a austenite residual e eliminar novas tensões;
(7) A têmpera razoável pode melhorar a resistência à fadiga e a resistência global propriedades mecânicas do aço peças;
O aço para moldes com o segundo tipo de fragilidade de têmpera deve ser arrefecido rapidamente após a têmpera a alta temperatura (arrefecimento a água ou a óleo) para eliminar o segundo tipo de fragilidade de têmpera e prevenir e evitar a formação de fissuras em arco durante a têmpera.
Quando o molde está em serviço, sob o efeito da tensão, a camada endurecida é descolada da matriz de aço, peça por peça.
Devido aos diferentes volumes específicos da superfície e das estruturas centrais do molde, formam-se tensões de arrefecimento axiais e tangenciais na camada superficial durante o arrefecimento, geram-se tensões de tração na direção radial e ocorrem mudanças bruscas internamente.
As fissuras de descasque são geradas numa gama estreita de mudanças bruscas de tensão, que ocorrem frequentemente durante o processo de arrefecimento da matriz após o tratamento térmico químico da camada superficial.
Uma vez que a modificação química da camada superficial é diferente da transformação da matriz de aço, a expansão da martensite temperada nas camadas interior e exterior é diferente, resultando numa grande tensão de transformação.
Isto faz com que a camada de tratamento químico se descole da matriz.
Como a chama endurecimento de superfícies camada, camada de endurecimento superficial de alta frequência, camada de cementação, camada de carbonitretação, camada de nitretação, camada de boronização, camada de metalização, etc.
Não é adequado temperar a camada química rapidamente após a têmpera, especialmente quando temperada a uma temperatura baixa abaixo de 300 ℃ e aquecida rapidamente, o que fará com que a tensão de tração se forme na camada superficial e a tensão de compressão se forme no centro da matriz de aço e na camada de transição.
Quando a tensão de tração é maior do que a tensão de compressão, a camada química é puxada e retirada.
Medidas preventivas:
(1) A concentração e a dureza da camada de infiltração química do aço da matriz devem ser reduzidas lentamente da superfície para o interior, e a força de ligação entre a camada de infiltração e a matriz deve ser aumentada.
O tratamento de difusão após a infiltração pode uniformizar a camada de infiltração química e a transição da matriz;
(2) Antes do tratamento químico do aço para moldes, recozimento por difusãoO tratamento de recozimento esferoidizante, têmpera e revenido deve ser efectuado para refinar totalmente a estrutura original, o que pode prevenir e evitar eficazmente as fissuras de descasque e garantir a qualidade do produto.
A profundidade da fenda é relativamente pequena, geralmente com cerca de 0,01-1,5 mm de profundidade, irradiando, apelidada de fenda.
As principais razões são:
(1) A matéria-prima tem uma profunda descarbonização que não é removida durante o corte a frio, ou o molde acabado é aquecido num forno de atmosfera oxidante para causar descarbonetação oxidativa;
(2) A estrutura da superfície metálica descarbonetada da matriz é diferente do teor de carbono e do volume específico da martensite na matriz do aço.
A superfície descarbonetada do aço produz uma grande tensão de tração durante a têmpera.
Por conseguinte, a superfície metálica é frequentemente fissurada numa rede ao longo do limite do grão;
(3) A matéria-prima é o aço de grão grosseiro. A estrutura original é grosseira e existe ferrite maciça, que não pode ser eliminada pela têmpera convencional.
Permanece na estrutura de arrefecimento, ou o controlo da temperatura é impreciso, o instrumento falha, a estrutura sobreaquece, ou mesmo queima em excesso, o grão torna-se mais grosseiro, a força de ligação entre os limites do grão perde-se.
Quando a matriz é temperada e arrefecida, o carboneto de aço precipita ao longo do limite de grão da austenite, a resistência do limite de grão é muito reduzida, a tenacidade é fraca e a fragilidade é grande.
Sob a ação de tensões de tração, surge uma fenda em rede ao longo do limite do grão.
Medidas preventivas:
(1) A composição química, a estrutura metalográfica e a deteção de defeitos das matérias-primas devem ser rigorosamente controladas, e as matérias-primas não qualificadas e o aço de grão grosso não devem ser utilizados como materiais para moldes;
(2) O aço de grão fino e o aço para forno elétrico de vácuo devem ser seleccionados e a profundidade da camada de descarbonetação das matérias-primas deve ser verificada antes da produção.
A tolerância para o corte a frio deve ser superior à profundidade da camada de descarbonetação;
(3) Formular um processo de tratamento térmico avançado e razoável, selecionar um instrumento de controlo da temperatura por microcomputador com uma precisão de controlo de ± 1,5 ℃ e calibrar regularmente o instrumento no local;
(4) O forno elétrico de vácuo, o forno de atmosfera protetora e o forno de banho de sal totalmente desoxidado são utilizados para o tratamento final de produtos de molde para prevenir e evitar eficazmente a formação de fissuras na rede.
A maioria dos aços para moldes são aços de liga de médio e alto carbono.
Após a têmpera, alguma austenite sub-arrefecida não é transformada em martensite e permanece como austenite residual em serviço, o que afecta o desempenho do serviço.
Se a temperatura for inferior a zero e o arrefecimento continuar, o austenite retida pode sofrer transformação martensítica.
Por conseguinte, a essência do tratamento a frio é a extinção.
A tensão de arrefecimento à temperatura ambiente e a tensão de arrefecimento à temperatura zero são sobrepostas.
Quando a tensão sobreposta excede o limite de resistência do material, forma-se uma fenda de tratamento a frio.
Medidas preventivas:
(1) Antes do tratamento de têmpera e arrefecimento, a matriz deve ser fervida em água a ferver durante 30-60min para eliminar 15% - 25% da tensão interna de têmpera e estabilizar a austenite residual.
Em seguida, o molde deve ser submetido a um tratamento de arrefecimento normal a - 60 ℃ ou a um tratamento criogénico a - 120 ℃.
Quanto mais baixa for a temperatura, mais a austenite residual será transformada em martensite, mas é impossível completar a transformação.
A experiência mostra que cerca de 2% - 5% da austenite residual é retida, e uma pequena quantidade de austenite residual pode ser retida conforme necessário para relaxar a tensão.
Desempenha um papel de tampão. Como a austenite residual é macia e resistente, pode absorver parcialmente a energia de expansão rápida da martensitização e aliviar a tensão de transformação;
(2) Após o tratamento a frio, retirar o molde e colocá-lo em água quente para aumentar a temperatura, o que pode eliminar 40% - 60% do stress do tratamento a frio.
Quando a temperatura atinge a temperatura ambiente, deve ser temperada a tempo.
A tensão do tratamento a frio deve ser ainda mais eliminada para evitar a formação de fissuras no tratamento a frio, obter um desempenho organizacional estável e garantir que os produtos do molde não são distorcidos durante o armazenamento e a utilização.
Ocorre frequentemente no processo de retificação a frio após a têmpera e o revenido dos produtos da matriz.
A maioria das microfissuras formadas são perpendiculares à direção de retificação, com cerca de 0,05-1,0 mm de profundidade.
(1) Pré-tratamento incorreto das matérias-primas, não eliminação total dos carbonetos maciços, reticulados e em banda das matérias-primas e descarbonetação grave;
(2) A temperatura final de aquecimento da têmpera é demasiado elevada, ocorre sobreaquecimento, o grão é grosseiro e é gerada mais austenite residual;
(3) Durante a retificação, ocorre uma transformação de fase induzida por tensão, que transforma a austenite residual em martensite.
A tensão estrutural é grande. Além disso, devido a uma têmpera insuficiente, restam muitas tensões residuais de tração, que se sobrepõem à tensão estrutural da retificação, ou devido a uma grande velocidade de retificação, velocidade de avanço e arrefecimento inadequado, o calor de retificação da superfície metálica sobe acentuadamente para a temperatura de aquecimento de têmpera e, em seguida, o fluido de retificação arrefece, resultando em arrefecimento secundário da superfície de retificação, que é uma combinação de múltiplas tensões.
Se o limite de resistência do material for ultrapassado, serão provocadas fissuras de retificação na superfície metálica.
Medidas preventivas:
(1) As matérias-primas são modificadas e forjadas várias vezes com uma forma de cruz dupla de direção variável e desenho.
Após quatro perturbações e quatro estiramentos, a estrutura da fibra de forjamento é distribuída simetricamente em forma ondulada à volta da cavidade ou do eixo.
O calor residual final a alta temperatura é utilizado para a têmpera, seguida de revenido a alta temperatura, que pode eliminar totalmente os carbonetos em bloco, reticulados, em banda e em cadeia e refinar os carbonetos para níveis de 2-3;
(2) Formular um processo avançado de tratamento térmico para controlar o teor de austenite residual extinta final que não exceda a norma;
(3) Temperar e eliminar atempadamente as tensões de arrefecimento após o arrefecimento;
(4) A redução adequada da velocidade de moagem, da quantidade de moagem e da velocidade de arrefecimento da moagem pode prevenir e evitar eficazmente a formação de fissuras de moagem.
Esta fissura ocorre no processo de corte em linha do temperado e revenido módulo.
Este processo altera o estado de distribuição do campo de tensão da camada superficial do metal, da camada intermédia e do centro.
A tensão interna residual de arrefecimento está desequilibrada e deformada, e uma grande tensão de tração aparece numa determinada área.
Quando esta tensão de tração é suficientemente grande para secar o limite de resistência do material da matriz, provoca fissuras.
A fenda é uma fenda de camada metamórfica rígida em forma de cauda de arco.
A experiência mostra que o processo de corte de fio é uma descarga parcial a alta temperatura e um processo de arrefecimento rápido, o que faz com que a superfície do metal forme uma camada solidificada dendrítica de estrutura fundida, produzindo uma tensão de tração de 600-900MPa e uma camada branca de têmpera secundária de alta tensão com 0,03 mm de espessura.
Causas das fissuras:
(1) Existe uma grave segregação de carbonetos nas matérias-primas;
(2) O instrumento falha, a temperatura de aquecimento da têmpera é demasiado elevada e o grão é grosseiro, reduzindo a resistência e a tenacidade do material e aumentando a fragilidade;
(3) As peças de trabalho temperadas não são temperadas a tempo e a têmpera não é suficiente, e a tensão interna residual excessiva e a nova tensão interna formada durante o corte do fio provocam fissuras no corte do fio.
Medidas preventivas:
(1) Verificar rigorosamente as matérias-primas antes do armazenamento para garantir que a composição organizacional das matérias-primas é qualificada.
As matérias-primas não qualificadas devem ser forjadas para quebrar os carbonetos, de modo a que a composição química e a estrutura metalográfica satisfaçam as condições técnicas antes de poderem ser colocadas em produção.
Antes do tratamento térmico dos módulos, os produtos acabados devem ser temperados, revenidos e cortados a fio depois de reservada uma certa quantidade de retificação;
(2) Calibre o instrumento antes de entrar no forno, selecione o microcomputador para controlar a temperatura, com a precisão do controle de temperatura de ± 1,5 ℃, forno a vácuo e forno de atmosfera protetora para aquecimento e evite estritamente o superaquecimento e a descarbonetação oxidativa;
(3) Têmpera gradual, têmpera isotérmica e revenido atempado após têmpera, revenido múltiplo, eliminando totalmente as tensões internas, criando condições para corte de fios;
(4) Formular um processo de corte de fio científico e razoável.
Quando a matriz está em serviço, as microfissuras de fadiga formadas sob a ação repetida de tensões alternadas expandem-se lentamente, levando a uma súbita fratura por fadiga.
(1) Existem fissuras e manchas, porosA matéria-prima é caracterizada por defeitos metalúrgicos de ferrite livre, folga, inclusões não metálicas, segregação severa de carbonetos, estrutura em faixas e defeitos metalúrgicos maciços de ferrite livre nas matérias-primas, que destroem a continuidade da estrutura da matriz e formam uma concentração desigual de tensões.
112 no lingote de aço não foi eliminado, resultando na formação de manchas brancas durante a laminagem.
O aço contém Bi, Pb, Sn, As, S, P e outras impurezas nocivas.
O P no aço é fácil de causar fragilidade a frio, enquanto o S é fácil de causar fragilidade a quente.
Se as impurezas nocivas S, P excederem a norma, são fáceis de formar uma fonte de fadiga;
(2) Uma concentração demasiado elevada e espessa, uma camada endurecida demasiado espessa e pouco profunda e uma baixa dureza da zona de transição podem conduzir a uma redução acentuada da resistência dos materiais à fadiga;
(3) Quando a superfície da matriz é áspera no processamento, baixa precisão, acabamento pobre, bem como linhas de faca, letras, arranhões, hematomas, poços de corrosão, etc., também é fácil causar concentração de tensão e fratura por fadiga.
Medidas preventivas:
(1) Selecionar rigorosamente os materiais, assegurar os materiais e controlar o teor de Pb, As, Sn e outras impurezas de baixo ponto de fusão e S, P não metálico impurezas que não excedam a norma;
(2) A inspeção dos materiais deve ser efectuada antes da produção, e as matérias-primas não qualificadas não devem ser colocadas em produção;
(3) O aço refinado por refusão por electroslag com elevada pureza, menos impurezas, composição química uniforme, grãos finos, pequenos carbonetos, boas propriedades isotrópicas e elevada resistência à fadiga deve ser selecionado para reforçar a superfície da matriz por injeção descasque e infiltração química da superfície, de modo a que a superfície metálica seja pré-pressionada para compensar a tensão de tração gerada quando a matriz está em serviço e melhorar a resistência à fadiga da superfície da matriz;
(4) Melhorar a precisão da maquinagem e o acabamento da superfície da matriz;
(5) Melhorar a estrutura e as propriedades da camada química e da camada endurecida e utilizar o microcomputador para controlar a espessura, a concentração e a espessura da camada endurecida da camada química.
Esta fissura ocorre frequentemente durante a utilização.
O molde de metal racha devido à reação química ou ao processo de reação eletroquímica, que causa danos e corrosão da estrutura desde a superfície até ao interior.
A isto chama-se fissuração por corrosão sob tensão.
A resistência à corrosão do aço para moldes é diferente devido às diferentes estruturas após o tratamento térmico.
A estrutura mais resistente à corrosão é a austenite (A), e a estrutura mais facilmente corroída é a troostite (T), que por sua vez é ferrite (F) - martensite (M) - perlite (P) - sorbite (S).
Por conseguinte, a estrutura T não é adequada para o tratamento térmico do aço para moldes.
Embora o aço temperado tenha sido revenido, devido a uma têmpera insuficiente, a tensão interna na têmpera ainda existe mais ou menos.
Quando o molde está em serviço, serão geradas novas tensões sob a ação de forças externas.
As fissuras por corrosão sob tensão ocorrerão sempre que houver tensão no molde metálico.
Medidas preventivas:
(1) Após a têmpera, o aço para moldes deve ser temperado atempada, completa e repetidamente para eliminar a tensão interna da têmpera;
(2) Geralmente, não é adequado temperar o aço da matriz a 350-400 ℃ após a têmpera.
Uma vez que a estrutura T ocorre frequentemente a esta temperatura, a matriz com estrutura T deve ser reprocessada, e a matriz deve ser tratada com prevenção de ferrugem para melhorar a resistência à corrosão;
(3) A matriz de trabalho a quente deve ser pré-aquecida a baixa temperatura antes do serviço, e a matriz de trabalho a frio deve ser temperada a baixa temperatura para eliminar as tensões após uma fase de serviço, o que pode não só prevenir e evitar a ocorrência de fissuras por corrosão sob tensão, mas também melhorar significativamente a vida útil da matriz, matar dois coelhos com uma cajadada só, e pode obter benefícios técnicos e económicos significativos.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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