Por que os moldes se deformam durante o tratamento térmico, causando defeitos dispendiosos? Este artigo investiga as causas principais, como a seleção de materiais, o projeto do molde e os processos de fabricação, e descreve as medidas preventivas. Ao compreender a influência das taxas de aquecimento, dos métodos de resfriamento e da tensão residual, os engenheiros podem reduzir a deformação e melhorar a qualidade do molde. Saiba como escolher os materiais certos e otimizar os processos de tratamento térmico pode economizar tempo e recursos, garantindo que seus moldes atendam aos padrões de precisão.
Uma fábrica de máquinas selecionou o aço T10A para fabricar matrizes complicadas com grandes diferenças no tamanho da seção e deformação mínima após a têmpera, com uma exigência de dureza de 56-60HRC.
Entretanto, após o tratamento térmico, a dureza da matriz atendeu aos requisitos técnicos, mas a deformação foi muito significativa e a matriz teve de ser descartada.
Para fabricar matrizes precisas e complexas com deformação limitada, recomenda-se escolher o aço de microdeformação, como o aço temperado a ar, tanto quanto possível.
Normalmente, o aço Cr12MoV é considerado um aço de microdeformação, que deve ter deformação limitada.
A análise metalográfica da matriz com deformação excessiva mostrou uma grande quantidade de carbonetos eutéticos no aço para matrizesque estavam presentes em listras e blocos.
(1) Causas da elipse da matriz (deformação)
A presença de carbonetos não uniformes distribuídos em uma direção específica no aço da matriz é a causa da deformação severa. O coeficiente de expansão dos carbonetos é aproximadamente 30% menor do que o da estrutura da matriz do aço.
Durante o aquecimento, os carbonetos impedem a expansão do orifício interno da matriz e, durante o resfriamento, impedem a contração do orifício interno da matriz, levando a uma deformação desigual do orifício interno da matriz e fazendo com que o orifício redondo da matriz se torne elíptico.
(2) Medidas preventivas
① Na fabricação de moldes complexos e de precisão, devemos nos esforçar para selecionar o aço para moldes com o mínimo de segregação de carboneto, mesmo que essa não seja a opção mais econômica. Devemos evitar o aço produzido por pequenas usinas siderúrgicas que tenham material de baixa qualidade.
② O aço da matriz com segregação significativa de carboneto deve ser forjado adequadamente para quebrar os blocos de cristal de carboneto e reduzir a distribuição desigual de carbonetos. Isso também eliminará qualquer anisotropia nas propriedades do aço.
③ O aço forjado da matriz deve ser temperado e revenido para obter uma estrutura de sorbita com distribuição uniforme de carbonetos, que é fina e dispersa. Isso minimizará a deformação na matriz complexa de precisão após o tratamento térmico.
④ Para moldes com tamanhos maiores ou que não podem ser forjados, pode-se usar uma solução de tratamento de refino duplo para refinar e distribuir uniformemente os carbonetos. Isso também arredondará as bordas e os cantos, reduzindo a deformação do tratamento térmico no molde.
O projeto de um molde baseia-se principalmente em seu uso pretendido e, como resultado, sua estrutura nem sempre pode ser completamente racional ou simétrica. Para resolver esse problema, os projetistas devem tomar medidas eficazes para garantir a capacidade de fabricação, a racionalidade da estrutura e a simetria da forma geométrica do molde e, ao mesmo tempo, manter o desempenho do molde. Isso requer uma consideração cuidadosa durante o processo de projeto.
(1) Tente evitar cantos vivos e seções com espessuras diferentes
Os projetistas devem evitar seções, bordas finas e cantos afiados com grandes diferenças de espessura no projeto do molde. Em vez disso, transições suaves devem ser implementadas na junção da espessura do molde. Isso reduzirá efetivamente as diferenças de temperatura e o estresse térmico na seção do molde. Além disso, a diferença no tempo de transformação da microestrutura e o estresse da microestrutura podem ser reduzidos com o uso de filetes e cones de transição.
(2) Aumentar adequadamente o buraco do processo
Para moldes que não podem garantir uma seção transversal uniforme e simétrica, pode ser necessário modificar o projeto trocando os furos não passantes por furos passantes ou acrescentando furos de processo adicionais, desde que isso não afete o desempenho do molde.
Os moldes com cavidades estreitas podem se deformar após a têmpera. Ao adicionar dois furos de processo durante a fase de projeto, a diferença de temperatura na seção transversal durante a têmpera pode ser reduzida, resultando em menos estresse térmico e melhores deformações.
Aumentar o número de furos do processo ou converter furos não uniformes em furos passantes também pode reduzir o risco de rachaduras devido à espessura irregular.
(3) Deve-se adotar, na medida do possível, uma estrutura estreita e simétrica
Quando o formato da matriz é aberto ou assimétrico, a distribuição da tensão é desigual após a têmpera, tornando-a suscetível à deformação. Para atenuar esse problema, é comum manter as nervuras nas matrizes de canais deformáveis em geral antes da têmpera e cortá-las após o processo. Isso ajuda a evitar a deformação em R durante a têmpera e melhora a estabilidade geral da peça de trabalho.
(4) A estrutura combinada é adotada
Para matrizes grandes com formas complexas e tamanhos superiores a 400 mm, bem como punções com pequenas espessuras e grandes comprimentos, é recomendável adotar uma estrutura combinada para simplificar a complexidade e reduzir o tamanho de grande para pequeno.
A reorientação da superfície interna da matriz para a superfície externa pode facilitar o processamento a quente e a frio, além de reduzir a deformação e as rachaduras.
Ao projetar uma estrutura combinada, os seguintes princípios devem ser considerados para garantir a decomposição adequada sem afetar a precisão do ajuste:
(1) Ajuste a espessura para obter uma seção transversal uniforme após a decomposição.
(2) Decompor-se em áreas onde ocorre concentração de tensão para dispersar a tensão e evitar rachaduras.
(3) Combine a estrutura com os orifícios do processo para torná-la simétrica.
(4) Garantir a conveniência do processamento e da montagem tanto a frio quanto a quente.
(5) Mais importante ainda, garanta a usabilidade da estrutura.
A adoção de uma estrutura integral para matrizes grandes pode dificultar o tratamento térmico, levando a uma contração inconsistente da cavidade após a têmpera. Isso pode resultar em bordas côncavas-convexas, distorção plana e dificuldades para retificar esses problemas durante o processamento futuro.
Para enfrentar esses desafios, o uso de uma estrutura combinada é uma solução adequada. Após o tratamento térmico, a estrutura pode ser montada, retificada e combinada novamente. Isso não apenas simplifica o processo de tratamento térmico, mas também resolve com eficácia os problemas de deformação.
Nas fábricas, é comum descobrir que os moldes com formas complexas e alta precisão sofrem deformações significativas após o tratamento térmico. Após uma inspeção mais minuciosa, geralmente descobre-se que a causa dessa deformação é a falta de tratamento pré-aquecido durante a usinagem e o processo final de tratamento térmico.
1. Causas de deformação
A sobreposição do tensão residual no processo de usinagem e a tensão após a têmpera aumenta a deformação da matriz após o tratamento térmico.
2. Medidas preventivas
Para reduzir a tensão residual e a deformação da matriz após a têmpera, as seguintes medidas podem ser tomadas:
(1) Conduzir uma atividade de alívio do estresse recozimento uma vez, a uma temperatura de (630-680)°C por (3-4) horas com resfriamento do forno a 500°C ou 400°C por (2-3) horas, entre a usinagem de desbaste e a usinagem de semiacabamento.
(2) Diminuir a temperatura de têmpera para reduzir a tensão residual após a têmpera.
(3) Resfrie a matriz em óleo a 170°C e deixe esfriar ao ar (resfriamento em etapas).
(4) Reduzir a tensão residual por meio da têmpera isotérmica.
Ao seguir essas etapas, a tensão residual e a deformação da matriz após a têmpera podem ser minimizadas.
A crença comum de que a deformação de uma matriz após o tratamento térmico é causada pelo resfriamento é incorreta.
Na realidade, a tecnologia de processamento adequada para o molde, especialmente os moldes complexos, tem um impacto maior em sua deformação.
Uma comparação dos processos de aquecimento de alguns moldes mostra que velocidades de aquecimento mais rápidas geralmente resultam em maior deformação.
(1) A causa da deformação: qualquer metal se expande quando aquecido
Quando o aço é aquecido, a temperatura não uniforme de cada peça no mesmo molde (ou seja, aquecimento desigual) resultará em uma expansão não uniforme, levando a estresse interno causada por aquecimento desigual.
Abaixo do ponto de transformação do aço, o estresse térmico é produzido principalmente pelo aquecimento desigual.
Quando a temperatura excede a temperatura de transformação, o aquecimento desigual leva a uma transformação microestrutural desigual, que gera estresse estrutural.
Como resultado, velocidades de aquecimento mais rápidas aumentam a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo da matriz, levando a níveis mais altos de tensão e maior deformação da matriz após o tratamento térmico.
(2) Medidas preventivas
O molde complexo deve ser aquecido gradualmente abaixo da temperatura de transição de fase.
Em geral, a distorção do molde durante o tratamento térmico a vácuo é significativamente menor em comparação com a distorção em um forno de banho de sal.
Para baixo liga de aço para matrizes de alta liga, um ciclo de pré-aquecimento em uma faixa de temperatura de 550 a 620°C é suficiente. Para matrizes de alta liga, recomenda-se um ciclo de pré-aquecimento de duas etapas nas temperaturas de 550-620°C e 800-850°C.
Alguns fabricantes acreditam que o aumento da temperatura de têmpera é crucial para garantir a alta dureza da matriz. Entretanto, a experiência real de produção mostra que esse não é um método adequado.
Para matrizes complexas, a temperatura normal de aquecimento é empregada tanto para o aquecimento quanto para a têmpera. A deformação do tratamento térmico que ocorre após o aquecimento na temperatura máxima permitida é muito maior em comparação com a temperatura mínima permitida.
(1) Causas de deformação
Como é amplamente conhecido, o aumento da temperatura de resfriamento leva a um aumento no tamanho do grão do aço. Isso ocorre porque um tamanho de grão maior aumenta a temperabilidade, resultando em maior tensão durante a têmpera e o resfriamento.
Além disso, como a maioria das matrizes complexas é feita de aço de liga média a alta, uma alta temperatura de resfriamento resultará em um aumento do resíduo austenita na estrutura devido a um ponto Ms baixo. Isso levará a um aumento na deformação da matriz após o tratamento térmico.
(2) Medidas preventivas
Para atender aos requisitos técnicos do molde, é importante selecionar uma temperatura de aquecimento adequada. Para minimizar o estresse durante o resfriamento e reduzir a deformação do tratamento térmico em moldes complexos, é aconselhável escolher a menor temperatura de têmpera possível.
O grau de deformação e rachaduras durante o tratamento térmico está intimamente ligado ao tipo de aço e sua qualidade. A seleção deve ser feita com base nos requisitos de desempenho do molde, levando em conta a precisão, a estrutura e o tamanho da matriz, bem como a natureza, a quantidade e o método de processamento do material que está sendo processado.
Para peças sem requisitos de deformação e precisão, o aço carbono para ferramentas pode ser utilizado para reduzir os custos. Para peças propensas a deformações e rachaduras, o aço para ferramentas de liga com maior resistência e uma velocidade mais lenta taxa de resfriamento crítica durante a têmpera deve ser selecionado.
Se a deformação de uma matriz feita de aço carbono não atender aos requisitos, deve-se usar o aço 9Mn2V ou o aço CrWMn, embora o custo do material possa ser mais alto. Isso resolverá os problemas de deformação e rachaduras, resultando em uma solução econômica no longo prazo.
Também é importante reforçar a inspeção e o gerenciamento das matérias-primas para evitar rachaduras durante o tratamento térmico devido a defeitos nas matérias-primas.
A formulação de especificações técnicas razoáveis (incluindo requisitos de dureza) é uma etapa crucial para evitar deformações e rachaduras durante a têmpera. O endurecimento local ou endurecimento de superfícies pode atender aos requisitos de uso, e a têmpera geral deve ser evitada sempre que possível.
Para matrizes de têmpera completas, os requisitos locais podem ser flexibilizados e não há necessidade de impor uniformidade. Para moldes com alto custo ou estrutura complexa, se for difícil atender aos requisitos técnicos durante o tratamento térmico, recomenda-se ajustar as especificações técnicas e flexibilizar os requisitos que têm pouco impacto na vida útil, a fim de evitar o sucateamento causado por reparos repetidos.
A maior dureza possível não deve ser considerada como a única especificação técnica no projeto do aço selecionado. Isso se deve ao fato de que a maior dureza é geralmente medida em uma pequena amostra de tamanho limitado, que pode diferir significativamente da dureza que pode ser obtida em um molde maior de tamanho real.
A busca pela maior dureza geralmente exige um aumento na taxa de resfriamento durante a têmpera, o que pode resultar em maior deformação e rachaduras. Portanto, especificar uma dureza mais alta como condição técnica pode representar desafios para o tratamento térmico, mesmo para moldes pequenos.
Em conclusão, o projetista deve estabelecer especificações técnicas razoáveis e viáveis com base no uso pretendido e nos tipos de aço selecionados. Além disso, a faixa de dureza associada à fragilidade da têmpera deve ser evitada ao determinar os requisitos de dureza para os tipos de aço selecionados.
1. Causas de deformação
Os aços de liga, como o aço Cr12MoV, geralmente têm uma quantidade significativa de austenita retida após a têmpera. As diferentes estruturas do aço têm volumes específicos variáveis, sendo que a austenita tem o menor volume específico, o que é a principal causa da redução de volume em matrizes de aço de alta liga após a têmpera e o revenimento em baixa temperatura.
O volume específico de várias estruturas de aço diminui na seguinte ordem: martensitasorbita temperada, perlita e austenita.
2. Medidas preventivas
(1) Reduzir adequadamente a temperatura de resfriamento
Conforme mencionado anteriormente, temperaturas de resfriamento mais altas resultam em uma maior austenita retida massa. Portanto, a seleção da temperatura de têmpera adequada é fundamental para reduzir o encolhimento do molde. Para atender aos requisitos técnicos do molde, o desempenho geral do molde deve ser considerado, e a temperatura de resfriamento deve ser reduzida adequadamente.
(2) Aumentar a temperatura de revenimento
Os dados mostram que o teor de austenita retida do aço Cr12MoV temperado a 500°C é a metade do teor do aço temperado a 200°C. Portanto, a temperatura de revenimento deve ser aumentada e, ao mesmo tempo, atender aos requisitos técnicos da matriz. Na prática, a deformação de uma matriz de aço Cr12MoV temperada a 500°C é mínima, com apenas uma leve redução na dureza (2-3HRC).
(3) Usar tratamento criogênico
O tratamento criogênico após a têmpera é um método eficaz para reduzir a massa de austenita residual e minimizar a deformação e as alterações de tamanho durante o uso estável. Portanto, o tratamento criogênico deve ser usado para matrizes complexas e de precisão.
A deformação que ocorre durante o tratamento térmico de matrizes geralmente é visível após a têmpera e o resfriamento. Embora existam vários fatores que contribuem para isso, o impacto do processo de resfriamento não pode ser ignorado.
1. Causas de deformação
Quando a matriz é resfriada abaixo da Ponto MSNo caso do aço, ocorre uma transformação de fase. Isso leva não apenas ao estresse térmico causado pelo resfriamento desigual, mas também ao estresse estrutural devido à transformação de fase não uniforme. Quanto mais rápida for a velocidade de resfriamento e quanto mais desigual for o resfriamento, maiores serão a tensão e a deformação.
2. Medidas preventivas
(1) Use o pré-resfriamento sempre que possível
Ao garantir a dureza da matriz, o pré-resfriamento deve ser utilizado o máximo possível. No caso do aço carbono e do aço de baixa liga para matrizes, ele pode ser pré-resfriado até que os cantos fiquem pretos (720-760°C). Para aços com austenita sub-resfriada estável na zona de transformação de perlita, o pré-resfriamento pode ser feito a cerca de 700°C.
(2) Adotar o resfriamento em etapas
O método de resfriamento em etapas é uma maneira eficaz de reduzir a deformação em algumas matrizes complexas, reduzindo significativamente o estresse térmico e o estresse da microestrutura durante o processo de fabricação. processo de resfriamento.
(3) Usar austêmpera
O austemperamento pode reduzir significativamente a deformação em algumas matrizes complexas e de precisão.
É impossível eliminar completamente a deformação em um molde após a têmpera. Entretanto, os métodos a seguir podem ser usados para controlar a deformação em moldes complexos e de precisão:
(1) Selecione uma temperatura de aquecimento adequada
Para garantir o endurecimento, deve ser selecionada a menor temperatura de resfriamento possível. No entanto, para altas liga de aço carbono (como o aço CrWMn e Cr12Mo), o aumento da temperatura de têmpera para reduzir o ponto MS e aumentar a austenita residual pode ser usado para controlar a deformação de têmpera.
Além disso, a temperatura de têmpera de matrizes de aço com alto teor de carbono e grande espessura pode ser aumentada para evitar trincas de têmpera. Para matrizes propensas a deformação e rachaduras, o recozimento para alívio de tensão deve ser realizado antes da têmpera.
(2) Aquecimento ideal
Devem ser feitos esforços para obter um aquecimento uniforme para reduzir o estresse térmico durante o aquecimento. Para matrizes de aço de alta liga com grandes seções transversais, formas complexas e requisitos de alta deformação, normalmente é necessário pré-aquecimento ou velocidade de aquecimento limitada.
(3) Modo de resfriamento e meio de resfriamento adequados
Sempre que possível, deve-se optar pelo resfriamento prévio, resfriamento em etapas e resfriamento em etapas. O resfriamento prévio é eficaz na redução da deformação em matrizes finas ou delgadas. Ele também pode reduzir a deformação até certo ponto em matrizes com grandes diferenças de espessura.
Para moldes com formas complexas e diferenças significativas na seção transversal, recomenda-se a têmpera em etapas. Se aço de alta velocidade é resfriado a 580-620°C, a deformação por resfriamento e as rachaduras podem ser evitadas.
(4) Executar adequadamente as operações de resfriamento
Para garantir o resfriamento mais uniforme do molde, deve ser selecionado o método correto de resfriamento da peça de trabalho no meio. A peça de trabalho deve entrar no meio de resfriamento na direção da resistência mínima e o lado de resfriamento mais lento deve ser movido em direção ao líquido. Quando o molde tiver esfriado abaixo do ponto MS, o movimento deve ser interrompido.
Por exemplo, no caso de espessura desigual no molde, a parte mais grossa deve ser temperada primeiro. Para reduzir a deformação do tratamento térmico em peças com grandes mudanças de seção, podem ser adicionados orifícios de processo, nervuras de reforço e tampões de amianto nos orifícios.
No caso de peças com superfícies côncavas e convexas ou furos passantes, a superfície côncava e o furo devem ser temperados para cima para liberar as bolhas no furo passante.
A causa da deformação em moldes complexos e de precisão geralmente é complexa, mas, ao compreender as leis de deformação, analisar suas causas e adotar vários métodos para evitar a deformação, ela pode ser reduzida e controlada.
Em geral, os métodos a seguir podem ser usados para evitar a deformação por tratamento térmico em moldes complexos e de precisão:
(1) Seleção de materiais apropriados
Para matrizes complexas e de precisão, o aço para matrizes de microdeformação com boa propriedades do material (como o aço temperado a ar) deve ser selecionado. Para aço de matriz com segregação significativa de carboneto, forjamento e têmpera razoáveis e tratamento térmico de têmpera deve ser realizado. Para aço de matriz maior ou aço de matriz que não possa ser forjado, pode ser usado o tratamento térmico de refino duplo de solução sólida.
(2) Razoável Estrutura do molde Design
O projeto da estrutura do molde deve ser razoável, com formato simétrico e espessura não excessivamente larga. Para moldes com deformação significativa, as leis de deformação devem ser compreendidas e as permissões de usinagem devem ser reservadas. Para moldes grandes, precisos e complexos, pode ser usada uma estrutura combinada.
(3) Eliminação de tensões residuais durante a usinagem
Para eliminar as tensões residuais durante a usinagem, o tratamento térmico deve ser realizado com antecedência para matrizes complexas e de precisão.
(4) Seleção da temperatura de aquecimento adequada
A temperatura de aquecimento deve ser selecionada de forma razoável e a velocidade de aquecimento deve ser controlada. O aquecimento lento, o pré-aquecimento e outros métodos de aquecimento balanceado podem ser usados para reduzir a deformação do tratamento térmico em matrizes complexas e de precisão.
(5) Processo de resfriamento adequado
Com a condição de garantir a dureza da matriz, os processos de pré-resfriamento, resfriamento por etapas ou resfriamento a quente devem ser usados o máximo possível.
(6) Aquecimento a vácuo, têmpera e tratamento criogênico
Sempre que possível, a têmpera por aquecimento a vácuo e o tratamento criogênico após a têmpera devem ser usados para matrizes complexas e de precisão.
(7) Pré-tratamento térmico, tratamento térmico de envelhecimento e Nitretação Tratamento térmico
Para algumas matrizes precisas e complicadas, o tratamento pré-aquecido, o tratamento térmico de envelhecimento e o tratamento térmico de nitretação por têmpera e revenimento podem ser usados para controlar a precisão das matrizes.
Além disso, a operação adequada dos processos de tratamento térmico (como tamponamento de orifícios, ligação de orifícios, fixação mecânica, métodos de aquecimento apropriados, seleção correta da direção de resfriamento e direção do movimento no meio de resfriamento etc.) e a razoável tratamento térmico de têmpera também são medidas eficazes para reduzir a deformação de moldes complexos de precisão.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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