Que segredos se escondem no intrincado processo de tratamento térmico do aço rápido? Este artigo aprofunda as técnicas críticas que garantem a dureza, a tenacidade e o desempenho ideais das ferramentas de aço rápido. Descubra as nuances da têmpera em banho de sal, os métodos precisos de revenido e os debatidos tratamentos criogénicos. Ao compreender estes processos essenciais de tratamento térmico, ficará a saber como aumentar a durabilidade e a eficiência das ferramentas, cruciais para qualquer tarefa avançada de maquinagem e fabrico.
A China tem vindo a utilizar o aquecimento por banho de sal e a têmpera do aço de alta velocidade utilizando a fórmula 5-3-2 (fração mássica, %) da antiga União Soviética, que inclui 50BaCl2+30KCl+20NaCl. Esta fórmula tem uma temperatura de ponto de fusão de 560 ℃ e uma temperatura de serviço de 580 a 620 ℃.
Para ferramentas ou peças de aço HSS com tamanhos efectivos inferiores a 20 mm, podem ser alcançados níveis de dureza elevados acima de 65HRC. As peças de aço HSS-E, por outro lado, podem atingir uma dureza de ≥ 66HRC.
A indústria de ferramentas na China utilizou esta processo de arrefecimento para alcançar a excelência provincial, ministerial e nacional, demonstrando a sua grande vitalidade.
À medida que o tempo avança e a tecnologia avança, as pessoas aperceberam-se da importância da velocidade de arrefecimento, e descobriu-se que a velocidade média de arrefecimento de uma peça de trabalho a 800 a 1000 ℃ é inferior a 7 ℃ ⁄ s. Esta velocidade de arrefecimento lenta resulta na precipitação de carboneto, que afecta a dureza e outras propriedades do aço.
Como resultado, o sal de classificação à base de cálcio foi introduzido na China a partir da Europa e dos Estados Unidos a um custo significativo. Sua fórmula (fração de massa, %) é 48CaCl2 + 31BaCl2 + 21NaCl, com um ponto de fusão de 435 ℃ e uma temperatura de serviço variando de 480 a 560 ℃.
Para simplificar a fórmula, algumas fábricas chinesas mudaram para 50CaCl2+30BaCl2+20NaCl. Esta alternativa tem um ponto de fusão ligeiramente mais alto do que os sais tradicionais à base de cálcio, mas a temperatura de classificação permanece em 480-560 ℃.
A antiga União Soviética introduziu pela primeira vez a tecnologia dos banhos de sal à base de Ca na década de 1940 e, mais tarde, partilhou-a com a China na década de 1950. Muitas fábricas experimentaram-na na década de 1960.
Durante o seu mandato em Guilin, de 1974 a 1978, o autor utilizou um banho de sal à base de Ca. No entanto, devido ao funcionamento pouco frequente do forno e à elevada higroscopicidade do banho de sal, teve de interromper a sua utilização.
Algumas fábricas realizaram testes de campo sobre a taxa de resfriamento de banhos de sal graduados. Especificamente, a taxa de resfriamento de peças de trabalho de φ40 mm a 800-1000 ℃ e 550 ℃ é de 7 ℃ / s, indicando que o tamanho efetivo pode ser totalmente endurecido abaixo de 40 mm. Enquanto isso, uma série de peças de trabalho de φ25mm são resfriadas a 500 ℃ de base de cálcio, e a taxa de resfriamento a 800-1000 ℃ é de 9 ℃ / s.
Sem dúvida, a taxa de resfriamento de peças de banho de sal à base de bário a 580-620 ℃ de 1000-800 ℃ é mais lenta do que a de peças de banho de sal à base de cálcio a 480-560 ℃.
Para peças de trabalho com um diâmetro efetivo de 20-40mm, o sal à base de cálcio é preferível, mas desnecessário para tamanhos inferiores a 20mm. O fator crucial é como controlar a temperatura do banho de sal abaixo dos 600℃.
Para peças de trabalho com um diâmetro superior a 40 mm, o arrefecimento com óleo pode ser aplicado primeiro, seguido de arrefecimento com sal graduado e depois graduado em nitrato para garantir uma dureza de tratamento térmico de ≥65HRC.
Após a têmpera, o aço rápido deve ser temperado para quatro objectivos:
① Para eliminar completamente a tensão de arrefecimento.
② Para decompor completamente o resíduo austenite.
③ Para produzir o melhor efeito de endurecimento secundário.
④ Para obter as propriedades mecânicas abrangentes necessárias e um desempenho ótimo.
A temperatura de têmpera recomendada é entre 540 e 560 ℃.
Se arrefecimento em banho de sal ou se for utilizada a têmpera em vácuo, recomenda-se a utilização de um banho de sal de 100% KNO3 ou 100% NaNO3 durante 1 hora.
Após cada processo de têmpera, o aço deve ser arrefecido até à temperatura ambiente antes de se iniciar o processo de têmpera seguinte.
Normalmente, o número de vezes que a têmpera é efectuada é de três. No entanto, nos casos em que a têmpera é insuficiente, ou para peças de aço rápido de alto desempenho que tenham sido temperadas isotermicamente, devem ser efectuados quatro processos de têmpera.
O grau de têmpera é geralmente classificado em três níveis, com base não no número de ciclos de têmpera mas no aspeto metalográfico.
Nível I (Adequado): Caracteriza-se pela presença de temperado preto martensite e carboneto salpicado no metalógrafo.
Nível II (Intermediário): Áreas brancas ou depósitos de carbonetos estão presentes em regiões isoladas.
Nível III (Inadequado): A maior parte do campo de visão é constituída por áreas brancas e os grãos extintos são fracamente visíveis.
Se forem necessários tratamentos de reforço da superfície, como o tratamento a vapor e o tratamento com oxigénio e azoto, na gama de temperaturas de têmpera, é possível obter um grau de têmpera de grau II, o que resulta em poupanças de energia.
O grau de têmpera deve ser avaliado por corrosão com uma solução de álcool de ácido nítrico 4% a uma temperatura de 18 a 25°C durante 2 a 4 minutos e observado num microscópio de 500x com base no pior campo de visão.
As fábricas de ferramentas costumam usar um tratamento de bainita para melhorar a tenacidade, a resistência e o desempenho de corte das ferramentas. Isso envolve a classificação do banho de sal neutro de 480 ℃ a 560 ℃ e a transferência imediata para um banho de nitrato de 240 ℃ a 280 ℃ para tratamento isotérmico por 1 a 2 horas.
O tratamento secundário de bainite é especialmente adequado para fresas de grandes dimensões com formas complexascomo fresas e placas com módulo > 15, e fresas perfuradas com espessura efectiva > 100 mm.
Durante o primeiro tratamento de bainite, é produzida bainite inferior 40% a 50%, juntamente com austenite residual e uma pequena quantidade de carboneto.
Durante a primeira têmpera, a austenite residual é transformada em martensite em grandes quantidades.
Após o primeiro revenimento, a ferramenta não deve ser resfriada ao ar. Em vez disso, deve ser transferido diretamente para o banho de sal a 240 ℃ a 280 ℃ para tratamento isotérmico por um período específico. Isso evitará a transformação de austenite retida em martensite e em bainite, o que é conhecido como tratamento secundário da bainite.
Este método pode ajudar a reduzir e evitar a tendência para a fissuração de ferramentas grandes e complexas.
O processo de tratamento secundário da bainite é mais complexo, mas altamente benéfico para evitar a fissuração de ferramentas de grandes dimensões durante o tratamento térmico.
O processo de têmpera deve ser aquecido lentamente, e cada têmpera deve ser realizada a uma temperatura abaixo de 500 ℃.
Não é permitido soprar após a têmpera; é preferível arrefecer a ferramenta de forma estática.
Como resultado do tratamento secundário de bainite, quatro ciclos de têmpera podem não ser adequados, devendo ser efectuada uma têmpera adicional.
Soldadura por fricção é amplamente utilizado tanto no país como no estrangeiro para produzir cortadores de barras com um diâmetro superior a φ10mm, uma vez que ajuda a poupar o dispendioso aço de alta velocidade.
Durante a soldadura por fricção, é gerada uma temperatura de mais de 1000 ℃, resultando numa grande diferença de temperatura numa pequena área em ambos os lados da soldadura.
O arrefecimento direto do ar após a soldadura leva à transformação da martensite no lado do aço rápido da soldadura, enquanto a transformação da perlite só ocorre no lado do aço estrutural arrefecido pelo ar.
A diferença de volume específico induz uma tensão organizacional significativa, levando à fissuração.
Para evitar isto, a ferramenta soldada deve ser imediatamente colocada num forno de 650~750 ℃ para isolamento térmico após a soldadura.
Quando o depósito de carga estiver cheio, a ferramenta deve ser mantida durante 1 a 2 horas para recozimento.
A ferramenta deve ser retirada do forno para arrefecimento com ar quando a temperatura do forno descer abaixo dos 500 ℃.
Se o volume de produção for demasiado elevado para seguir o processo acima descrito, a soldadura deve ser mantida a uma temperatura de conservação de calor de 740 horas. Este processo permitirá que ambos os lados da soldadura sejam totalmente transformados em perlite+sorbite, e a ferramenta pode então ser arrefecida a ar e recozida.
O debate sobre o arrefecimento das ferramentas de soldadura por fricção centra-se na possibilidade de sobreaquecer a soldadura. Os argumentos a favor do sobreaquecimento da soldadura incluem a melhoria da estrutura original, o aumento da qualidade da soldadura e resistência, e fazendo pleno uso do aço rápido. Por outro lado, os argumentos contra o superaquecimento da soldadura incluem o risco de fissuras de arrefecimento e potenciais conflitos de qualidade.
Desde o sucesso da têmpera em vácuo das ferramentas de soldadura, as dúvidas sobre as fissuras causadas pelo superaquecimento da soldadura após a têmpera em banho de sal diminuíram. No entanto, o autor insiste que o super aquecimento da soldadura não conduz diretamente a fissuras de têmpera, com base na prática e na experiência.
Atualmente, a maioria das fábricas de ferramentas utiliza um aquecimento 15 a 20 mm inferior ao cordão de soldadurao que resulta numa redução do comprimento de corte do aço rápido, em desperdício e em práticas não económicas.
É estritamente proibido decapar ferramentas aquecidas por super-soldadura. Nos casos em que a decapagem é necessária, a concentração do ácido, o tempo de decapagem e a temperatura do ácido devem ser cuidadosamente controlados para evitar fragilização por hidrogénio.
A microestrutura das ferramentas de aço rápido após têmpera e revenido normal consiste em martensite temperada, vestígios de austenite retidae carboneto.
O autor considera que não é necessário eliminar os vestígios remanescentes (<5%) de austenite retida.
Depois de normal têmpera e revenimento a 550-570 ℃ por 1 hora, 3 vezes, o tratamento térmico de ferramentas de aço de alta velocidade atingiu seu nível ideal, e um tratamento de resfriamento profundo adicional pode fazer mais mal do que bem.
A austenite é uma fase muito macia na estrutura do aço, com uma dureza de apenas cerca de 200HBW. Em comparação com a dureza desejada de 65-66HRC para ferramentas de aço rápido, é evidente que um excesso de austenite retida não tornará as ferramentas mais duras.
Através de experiências, o académico japonês Ichiro Iijima e a sua equipa descobriram que a austenite residual abaixo do 15% não reduziria a dureza da ferramenta, mas poderia aumentar a plasticidade e a tenacidade do aço.
Por conseguinte, a redução da austenite residual através de tratamento criogénico seria prejudicial para a tenacidade da ferramenta.
Desde a década de 1970 até ao início do século XXI, muitas fábricas de ferramentas nacionais realizaram tratamento a frio e tratamento criogénico em fresas de aço rápido.
Houve muitos fracassos e apenas alguns sucessos.
Embora a nossa empresa tenha realizado tratamentos criogénicos durante vários anos, não obtivemos resultados significativos. Por conseguinte, o equipamento foi colocado em espera.
Em comparação com outros materiais superduros, a vantagem mais significativa das ferramentas de aço rápido é a sua tenacidade ligeiramente superior.
O tratamento criogénico pode diminuir a austenite residual, mas também reduz a tenacidade das ferramentas.
Isto não é como esfregar sal na ferida?
Está provado que a retenção de austenite inferior a 5% é inofensiva para a utilização de ferramentas.
A dureza do aço HSS é de 65-66HRC, enquanto a do aço HSS-E é de 66-67HRC.
Em condições semelhantes, quanto maior for a dureza, menor será o desgaste da ferramenta e maior será a sua durabilidade.
Daqui podemos concluir que a austenite retida, que diminui a dureza, não é bem-vinda.
No entanto, a vida útil de uma ferramenta não é determinada apenas pela sua dureza.
Uma dureza excessiva aumenta a fragilidade, o que não prolonga a vida útil da ferramenta, mas a reduz.
São vários os factores que afectam a vida útil das ferramentas de aço rápido.
Por conseguinte, não é aconselhável procurar cegamente uma dureza elevada.
O nosso princípio é procurar obter uma elevada dureza, assegurando simultaneamente uma resistência adequada.
Com base na experiência, o tratamento criogénico não aumenta a dureza das ferramentas totalmente temperadas, nem melhora a sua dureza térmica. Pelo contrário, pode diminuir a sua tenacidade.
No entanto, algumas fábricas de ferramentas domésticas adicionaram um tratamento criogénico a certas fresas, como as fresas de barbear e as placas de pequenos módulos, a fim de eliminar as tensões e estabilizar o seu tamanho. Isto é particularmente importante, uma vez que estas duas ferramentas estão centradas no seu diâmetro interior e é crucial que este não se altere durante a utilização. Além disso, alguns ferramentas de medição e os moldes de aço rápido podem beneficiar de um tratamento criogénico para estabilizar o seu tamanho.
Após a têmpera e o revenido normais, as estruturas de aço rápido retêm normalmente uma pequena quantidade de austenite. Embora isto não tenha um impacto significativo nas propriedades mecânicas ou na utilização das ferramentas, existe algum debate sobre a necessidade de um tratamento criogénico.
Para determinar se o tratamento criogénico é benéfico, é necessária uma grande quantidade de dados experimentais e exemplos de aplicação. No entanto, as experiências do autor levaram-no a ter uma opinião contrária. É de salientar que existem centenas de fabricantes de ferramentas na China que não implementaram o tratamento criogénico.
Embora o tratamento criogénico seja frequentemente apresentado como uma conquista da investigação científica ou um produto de laboratório, a sua promoção não tem sido muito bem sucedida. O chamado "novo processo de têmpera" pode ser uma tendência de curta duração.
O processo em questão continua a ser um processo maduro que tem sido amplamente utilizado na produção em massa em várias ocasiões.
"A prática é o único critério para testar a verdade", como diz o ditado, e qualquer novo processo deve ser provado através da produção prática.
O tratamento térmico do aço de alta velocidade pode parecer complicado, mas com uma abordagem séria e ousada, juntamente com a prática repetida e a inovação arrojada, podemos certamente produzir aço de alta qualidade e duradouro ferramentas de corte e contribuir significativamente para a revitalização da indústria mecânica.
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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