Tratamento térmico de aço para ferramentas: guia para processo

O aço para ferramentas é essencial na fabricação, conhecido por sua dureza, resistência ao desgaste e capacidade de suportar ambientes de alto estresse. De ferramentas de corte a maquinário industrial, seu desempenho depende de um processo crítico: tratamento térmico.

No SteelPro Group, oferecemos aço para ferramentas em estados recozidos e pré-endurecidos. Nossos especialistas também podem fornecer consultoria detalhada sobre tratamento térmico para garantir dureza, tenacidade e durabilidade ideais.

Tratamento térmico de aço para ferramentas

O processamento térmico é um procedimento essencial que envolve o aquecimento e o resfriamento de ligas para atingir as características mecânicas desejadas. Este processo para aço ferramenta normalmente inclui várias etapas principais: recozimento, pré-aquecimento, austenitização, têmpera e revenimento.

Como tratar termicamente aço para ferramentas?

• O forjamento é tipicamente realizado em aço ferramenta antes do tratamento térmico. O processo alinha a estrutura do grão, reduz tensões internas e garante uniformidade, resultando em melhor desempenho após o tratamento térmico.

Recozimento — Amolecimento de Aço para Ferramentas

Processo:

1. Aqueça o aço a uma temperatura específica, normalmente entre 700°C e 900°C, dependendo do tipo de aço. 
2. O aço é mantido nessa temperatura por algum tempo para permitir a transformação completa. 
3. Por fim, o aço é resfriado gradualmente, geralmente dentro do próprio forno, para evitar choque térmico e obter o efeito de amolecimento desejado.

Ao reduzir a dureza e a fragilidade, o recozimento torna o aço mais fácil de usinar ou moldar. Ele também ajuda a atingir uniformidade na microestrutura, o que é essencial para tratamento térmico posterior.

Endurecimento — Aumento da resistência e da resistência ao desgaste

1. Pré-aquecimento

O pré-aquecimento não é parte da reação de endurecimento real, mas serve para minimizar o choque térmico, reduzindo o risco de distorção, empenamento ou rachadura. Ferramentas complexas e aços rápidos são frequentemente pré-aquecidos em duas etapas.

2. Austenitização

Aquecendo aço para ferramentas na faixa de temperatura de austenitização de 760°C a 1300°C (1400°F a 2400°F). A temperatura alvo varia dependendo do tipo de aço para ferramentas.

Atingir a temperatura de austenitização correta é crítico. Porque uma temperatura muito baixa resultará em transformação incompleta para austenita, enquanto uma temperatura muito alta pode levar ao crescimento de grãos, reduzindo a tenacidade do material.

3. Resfriamento

Após a austenitização, o aço é resfriado rapidamente em um meio de têmpera—comumente óleo, água ou ar. A taxa de resfriamento deve ser controlada cuidadosamente, pois têmpera insuficiente pode resultar em transformação incompleta ou empenamento. 

• Têmpera em óleo

A têmpera em óleo envolve submergir aço aquecido em óleo para obter resfriamento rápido com uma taxa moderada. Este método é frequentemente usado para aços de ferramentas para minimizar a distorção e rachaduras, pois o óleo esfria mais lentamente do que a água, proporcionando uma solidificação mais controlada.

• Têmpera em água

A têmpera em água resfria o aço muito mais rápido do que o óleo, tornando-a adequada para aços que podem tolerar resfriamento rápido. Ela oferece alta dureza, mas aumenta o risco de rachaduras ou empenamentos devido à taxa de resfriamento mais agressiva.

• Têmpera de ar

O resfriamento a ar é um método de resfriamento mais lento, onde o aço é resfriado em ar ambiente ou ar forçado. Esse processo é usado para ligas projetadas para esse propósito, como certos aços rápidos, que exigem resfriamento menos rápido para evitar distorção, ao mesmo tempo em que atingem dureza ideal.

Têmpera — Reduzindo a fragilidade e melhorando a tenacidade

Processo:

1. Reaqueça o aço endurecido a uma temperatura específica, normalmente entre 150°C e 700°C (300°F a 1300°F).
2. Mantenha a temperatura desejada por um período específico, que pode variar de 30 minutos a várias horas.
3. Resfrie o aço a uma taxa controlada, normalmente em ar ou óleo, para atingir as propriedades mecânicas desejadas.

A temperatura de têmpera influencia diretamente as propriedades mecânicas finais do aço. Temperaturas de têmpera mais baixas tornam o material mais duro, mas menos tenaz, enquanto temperaturas mais altas o tornam mais tenaz, embora ligeiramente mais macio.

Considerações ao tratar termicamente o aço para ferramentas

Proteção de superfície durante a austenitização

A exposição ao oxigênio durante o processo de austenitização pode causar escala e descarbonetação, levando a uma perda permanente de dureza na superfície da ferramenta. Para evitar esses problemas, é crucial fornecer proteção de superfície. 

Os métodos comuns incluem o uso de fornos a vácuo, fornos de atmosfera controladaou fornos de banho de sal neutro. Outra opção é envolver o aço da ferramenta em folha de aço inoxidável para minimizar a exposição ao oxigênio.

Mudanças de tamanho durante o tratamento térmico

O tratamento térmico inevitavelmente causa mudanças de tamanho em aços para ferramentas devido às mudanças em sua microestrutura. A maioria dos aços para ferramentas experimenta crescimento variando de 0,0005 a 0,002 polegadas por polegada do seu comprimento original durante o processo. 

Austenita residual

Durante a têmpera, a transformação de austenita em martensita pode não ser completa. Por exemplo, o aço ferramenta D2 pode reter mais de 20% de austenita após a têmpera. Isso pode causar tensões internas ou distorção. Para resolver isso, técnicas como tratamento criogênico podem ser usadas para converter a austenita residual em martensita estável.

O tratamento de baixa temperatura, também conhecido como tratamento subzero ou criogênico, é usado para melhorar as propriedades dos aços para ferramentas. Este processo resfria o aço a temperaturas muito baixas, geralmente abaixo de -70°C (-94°F). Ele ajuda a reduzir a austenita residual, tornando o aço mais duro, mais resistente ao desgaste e mais estável ao longo do tempo.

Como o tratamento térmico altera a microestrutura do aço para ferramentas?

O tratamento térmico funciona alterando a microestrutura do aço ferramenta no nível atômico. Durante o processo, ele cria fases como austenita e martensita que melhoram seu desempenho em várias aplicações.

Austenitização

Quando o aço ferramenta é aquecido à temperatura de austenitização, o aço transforma sua estrutura cristalina inicial (ferrita ou perlita) em austenita. Nessa fase, átomos de carbono se dissolvem no ferro, permitindo que o aço atinja uma dureza maior ao resfriar.

Formação Martensita

Após resfriamento rápido (têmpera), a austenita se transforma em martensita. O processo de resfriamento impede que o carbono se difunda, fazendo com que os átomos de ferro se organizem em uma estrutura tetragonal de corpo centrado (BCT), que é muito mais dura e forte que a austenita.

A fase martensítica aumenta significativamente a dureza e a resistência ao desgaste, tornando o aço adequado para ferramentas de corte e aplicações de alto estresse.

Refinando Martensita

Durante o revenimento, o aço é aquecido novamente a uma temperatura mais baixa. Isso permite que alguns átomos de carbono precipitem e estabilizem a estrutura. Esse procedimento minimiza as tensões internas, tornando o aço menos frágil, mantendo grande parte de sua tenacidade e durabilidade.

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