Quais são os segredos do intrincado processo de tratamento térmico do aço rápido? Este artigo se aprofunda nas técnicas essenciais que garantem a dureza, a resistência e o desempenho ideais das ferramentas de aço rápido. Descubra as nuances da têmpera em banho de sal, os métodos precisos de revenimento e os debatidos tratamentos criogênicos. Ao compreender esses processos essenciais de tratamento térmico, você aprenderá a aumentar a durabilidade e a eficiência das ferramentas, o que é crucial para qualquer tarefa avançada de usinagem e fabricação.
A China tem utilizado o aquecimento por banho de sal e a têmpera de aço rápido usando a fórmula 5-3-2 (fração de massa, %) da antiga União Soviética, que inclui 50BaCl2+30KCl+20NaCl. Essa 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 efetivos inferiores a 20 mm, é possível atingir altos níveis de dureza acima de 65HRC. As peças de aço HSS-E, por outro lado, podem atingir uma dureza de ≥ 66HRC.
O setor de ferramentas na China utilizou essa classificação processo de resfriamento para alcançar excelência provincial, ministerial e nacional, demonstrando sua grande vitalidade.
Com o passar do tempo e o avanço da tecnologia, as pessoas perceberam a importância da velocidade de resfriamento, e descobriu-se que a velocidade média de resfriamento de uma peça de 800 a 1000 ℃ é inferior a 7 ℃ ⁄ s. Essa velocidade de resfriamento lenta resulta na precipitação de carboneto, que afeta a dureza e outras propriedades do aço.
Como resultado, o sal de classificação à base de cálcio foi introduzido na China vindo 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 que varia de 480 a 560℃.
Para simplificar a fórmula, algumas fábricas chinesas mudaram para 50CaCl2+30BaCl2+20NaCl. Essa alternativa tem um ponto de fusão um pouco 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 de banho de sal à base de Ca na década de 1940 e depois a compartilhou com a China na década de 1950. Muitas fábricas fizeram experiências com ela na década de 1960.
Durante seu período em Guilin, de 1974 a 1978, o autor utilizou um banho de sal à base de Ca. Entretanto, devido à operação pouco frequente do forno e à alta higroscopicidade do banho de sal, ele teve que interromper seu uso.
Algumas fábricas realizaram testes de campo sobre a taxa de resfriamento de banhos de sal graduados. Especificamente, a taxa de resfriamento de peças de φ40mm a 800-1000℃ e 550℃ é de 7 ℃/s, indicando que o tamanho efetivo pode ser totalmente endurecido abaixo de 40mm. Enquanto isso, uma série de peças de φ25 mm é resfriada 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 com diâmetro efetivo de 20 a 40 mm, o sal à base de cálcio é preferível, mas desnecessário para tamanhos abaixo de 20 mm. O fator crucial é como controlar a temperatura do banho de sal abaixo de 600 ℃.
Para peças com diâmetro superior a 40 mm, o resfriamento com óleo pode ser aplicado primeiro, seguido pelo resfriamento com sal graduado e, em seguida, graduado em nitrato para garantir uma dureza de tratamento térmico de ≥65HRC.
Após a têmpera, o aço rápido deve ser temperado para quatro finalidades:
① Para eliminar completamente a tensão de resfriamento.
② Para decompor totalmente o resíduo austenita.
③ Para produzir o melhor efeito de endurecimento secundário.
④ Para obter as propriedades mecânicas abrangentes e o desempenho ideal necessários.
A temperatura de têmpera recomendada é entre 540 e 560 ℃.
Se resfriamento em banho de sal ou a têmpera a vácuo, recomenda-se usar um banho de sal de 100% KNO3 ou 100% NaNO3 por 1 hora.
Após cada processo de têmpera, o aço deve ser resfriado à temperatura ambiente antes de iniciar o próximo processo de têmpera.
Normalmente, o número de vezes que a têmpera é realizada é três. No entanto, nos casos em que a têmpera for insuficiente, ou para peças de aço rápido de alto desempenho que tenham sido temperadas isotermicamente, devem ser realizados quatro processos de têmpera.
O grau de têmpera é geralmente classificado em três níveis, com base não no número de ciclos de têmpera, mas na aparência metalográfica.
Nível I (Adequado): Caracteriza-se pela presença de temperado preto martensita e carbeto salpicado no metalógrafo.
Nível II (Intermediário): Áreas brancas ou depósitos de carboneto estão presentes em regiões isoladas.
Nível III (Inadequado): A maior parte do campo de visão é composta por áreas brancas e os grãos apagados são fracamente visíveis.
Se forem necessários tratamentos de fortalecimento da superfície, como o tratamento a vapor e o tratamento com nitrogênio e oxigênio, na faixa de temperatura de têmpera, é possível obter um grau de têmpera de Grau II, o que resulta em economia de energia.
O grau de têmpera deve ser avaliado por meio de corrosão com uma solução de álcool de ácido nítrico 4% a uma temperatura de 18 a 25°C por 2 a 4 minutos e observado em um 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 a 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 bainita é especificamente adequado para fresas de grandes dimensões com extrema formas complexascomo fresas e placas com módulo > 15, e fresas perfuradas com espessura efetiva > 100 mm.
Durante o primeiro tratamento de bainita, são produzidas 40% a 50% de bainita inferior, juntamente com austenita residual e uma pequena quantidade de carboneto.
Durante o primeiro revenimento, a austenita residual é transformada em martensita em grandes quantidades.
Após a primeira têmpera, a ferramenta não deve ser resfriada ao ar. Em vez disso, ela deve ser transferida diretamente para o banho de sal a 240°C a 280°C para tratamento isotérmico por um período específico. Isso evitará a transformação de austenita retida em martensita e em bainita, o que é conhecido como tratamento secundário de bainita.
Esse método pode ajudar a reduzir e evitar a tendência de rachaduras em ferramentas grandes e complexas.
O processo de tratamento secundário de bainita é mais complexo, mas altamente benéfico para evitar que ferramentas grandes rachem durante o tratamento térmico.
O processo de têmpera deve ser aquecido lentamente, e cada têmpera deve ser realizada em uma temperatura abaixo de 500°C.
Não é permitido soprar após a têmpera; é melhor resfriar a ferramenta de forma estática.
Como resultado do tratamento secundário de bainita, quatro rodadas de têmpera podem não ser adequadas, e uma têmpera adicional deve ser realizada.
Soldagem por fricção é amplamente utilizado no país e no exterior para produzir cortadores de haste com diâmetro superior a φ10 mm, pois ajuda a economizar o caro aço rápido.
Durante a soldagem por fricção, é gerada uma temperatura de mais de 1000 ℃, resultando em uma grande diferença de temperatura em uma pequena área em ambos os lados da solda.
O resfriamento direto do ar após a soldagem leva à transformação da martensita no lado do aço rápido da solda, enquanto a transformação da perlita ocorre apenas no lado do aço estrutural resfriado a ar.
A diferença no volume específico induz a um estresse organizacional significativo, levando a rachaduras.
Para evitar isso, a ferramenta soldada deve ser imediatamente colocada em um forno de 650~750 ℃ para isolamento térmico após a soldagem.
Depois que o tanque de carga estiver cheio, a ferramenta deve ser mantida por 1 a 2 horas para recozimento.
A ferramenta deve ser removida do forno para resfriamento a ar quando a temperatura do forno cair abaixo de 500 ℃.
Se o volume de produção for muito alto para seguir o processo acima, a solda deverá ser mantida em uma temperatura de preservação de calor de 740 horas. Esse processo permitirá que os dois lados da solda sejam totalmente transformados em perlita+sorbita, e a ferramenta poderá então ser resfriada a ar e recozida.
O debate sobre o resfriamento de ferramentas de soldagem por fricção se concentra na questão do superaquecimento da solda. Os argumentos a favor do superaquecimento da solda incluem a melhoria da estrutura original, o aprimoramento da qualidade da soldagem e resistência, além de fazer uso total do aço rápido. Por outro lado, os argumentos contra o superaquecimento da solda incluem o risco de trincas de têmpera e possíveis disputas de qualidade.
Desde o sucesso da têmpera a vácuo de ferramentas de soldagem, as dúvidas sobre as trincas causadas pelo superaquecimento da solda após a têmpera em banho de sal diminuíram. No entanto, o autor insiste que o superaquecimento da solda não leva diretamente a trincas de têmpera, com base na prática e na experiência.
Atualmente, a maioria das fábricas de ferramentas usa aquecimento 15 a 20 mm mais baixo do que o costura de soldao que resulta em redução do comprimento de corte do aço rápido, desperdício e práticas antieconômicas.
É estritamente proibido decapar ferramentas aquecidas por super solda. Nos casos em que a decapagem for necessária, a concentração do ácido, o tempo de decapagem e a temperatura do ácido devem ser cuidadosamente controlados para evitar fragilização por hidrogênio.
A microestrutura das ferramentas de aço rápido após a têmpera e o revenimento normais consiste em martensita temperada, traços de austenita retidae carbeto.
O autor acredita que não é necessário eliminar o traço restante (<5%) de austenita retida.
Após o normal têmpera e revenimento a 550-570°C por 1 hora, 3 vezes, o tratamento térmico de ferramentas de aço rápido atingiu seu nível ideal, e um tratamento de resfriamento mais profundo pode causar mais danos do que benefícios.
A austenita 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, fica claro que um excesso de austenita retida não tornará as ferramentas mais duras.
Por meio de experimentos, o acadêmico japonês Ichiro Iijima e sua equipe descobriram que a austenita residual abaixo de 15% não reduziria a dureza da ferramenta, mas poderia aumentar a plasticidade e a resistência do aço.
Portanto, a redução da austenita residual por meio do tratamento criogênico seria prejudicial à resistência da ferramenta.
Da década de 1970 até o início do século XXI, muitas fábricas de ferramentas domésticas realizaram tratamento a frio e tratamento criogênico em fresas de aço de alta velocidade.
Houve vários fracassos e apenas alguns sucessos.
Embora nossa empresa esteja realizando tratamento criogênico há vários anos, não obtivemos nenhum resultado significativo. Portanto, o equipamento foi colocado em espera.
Quando comparadas a outros materiais superduros, a vantagem mais significativa das ferramentas de aço rápido é sua tenacidade ligeiramente maior.
O tratamento criogênico pode diminuir a austenita residual, mas também reduz a resistência das ferramentas.
Isso não é como colocar sal na ferida?
Foi comprovado que a retenção de austenita inferior a 5% é inofensiva para o uso 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 a dureza, menor o desgaste da ferramenta e maior a sua durabilidade.
A partir disso, podemos concluir que a austenita retida, que reduz a dureza, não é bem-vinda.
Entretanto, a vida útil de uma ferramenta não é determinada apenas por sua dureza.
O excesso de dureza aumenta a fragilidade, o que não aumenta a vida útil da ferramenta, mas a reduz.
Diversos fatores afetam a vida útil das ferramentas de aço rápido.
Portanto, não é recomendável buscar cegamente uma alta dureza.
Nosso princípio é buscar alta dureza e, ao mesmo tempo, garantir a resistência adequada.
Com base na experiência, o tratamento criogênico não aumenta a dureza das ferramentas totalmente temperadas, nem melhora sua dureza térmica. Pelo contrário, pode diminuir sua tenacidade.
No entanto, algumas fábricas de ferramentas domésticas adicionaram tratamento criogênico a determinados cortadores, como cortadores de barbear e placas de módulos pequenos, a fim de eliminar a tensão e estabilizar seu tamanho. Isso é particularmente importante, pois essas duas ferramentas são centralizadas em seu diâmetro interno e é fundamental que isso não mude durante o uso. Além disso, algumas ferramentas de ponta Ferramentas de medição e os moldes feitos de aço rápido podem se beneficiar do tratamento criogênico para estabilizar seu tamanho.
Após a têmpera e o revenimento normais, as estruturas de aço rápido normalmente retêm uma quantidade mínima de austenita. Embora isso não afete significativamente as propriedades mecânicas ou o uso das ferramentas, há um debate sobre a necessidade de tratamento criogênico.
Para determinar se o tratamento criogênico é benéfico, é necessária uma grande quantidade de dados experimentais e exemplos de aplicação. No entanto, os experimentos do autor o levaram a ter uma visão oposta. É importante observar que há centenas de fabricantes de ferramentas na China que não implementaram o tratamento criogênico.
Embora o tratamento criogênico seja frequentemente apresentado como uma conquista da pesquisa científica ou um produto de laboratório, 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 maduro e foi 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 se provar por meio 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 ousada, podemos certamente produzir produtos de alta qualidade e duradouros ferramentas de corte e fazer contribuições significativas para a revitalização do setor mecânico.
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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