Têmpera a vácuo – Parte II: Têmpera a vácuo de bloco de aço AISI H13

Têmpera a vácuo – Parte II: Têmpera a vácuo de bloco de aço AISI H13

O tratamento térmico visa a modificar as propriedades mecânicas, elétricas e magnéticas de ligas ferrosas e não ferrosas e, conforme norma ABNT 8635, definido como o “processo de aquecimento, manutenção e resfriamento”. Esta segunda parte de processos térmicos a vácuo descreve a têmpera a vácuo de um bloco de aço da classe trabalho a quente AISI H13, dimensões 406x406x406 mm, com termopares monitorando todas as faces e o núcleo.

Os aços ao cromo da classe trabalho a quente têm excelentes resistência a impacto em altas temperaturas, resistência ao amolecimento durante exposição a altas temperaturas e resistência à fadiga térmica. Essas propriedades são atendidas pelo uso de aço médio carbono e relativa alta concentração de cromo e outros fortes elementos formadores de carbonetos. O médio carbono desse tipo de aço promove tenacidade, proporciona boa resistência em alta temperatura pelo revenimento com precipitação fina e estável dispersão de carbonetos de cromo e vanádio. Os altos teores em elementos de liga contidos proporcionam excelente temperabilidade e permitem endurecimento de grandes seções com a utilização de adequadas taxas de resfriamento [1]. Muitos moldes e matrizes do segmento industrial de forjamento a quente, extrusão de alumínio, injeção de alumínio e plástico são construídos com o aço H13 em função da significativa temperabilidade, boa ductilidade, resistência a quente (amolecimento) e, em particular, resistência à fadiga térmica. O tratamento térmico final de moldes e matrizes construídos em aço para trabalho a quente como o H13, contendo normalmente 5% de Cr e significativa quantidade de outros elementos de liga, requer experiência e compreensão das mudanças de fase e tensões associadas que ocorrem durante o aquecimento e resfriamento. A Tabela 1 apresenta a composição química do aço AISI H13 para a faixa dos principais elementos químicos.

Tratamento Térmico

A modificação das propriedades dos aços é fundamental para o melhor desempenho. A maioria das falhas prematuras de ferramentas é resultado de um tratamento térmico incorreto [2]. Para a têmpera do aço H13 é necessária alta temperatura de austenitização para colocar todos os elementos de liga em solução sólida que estão como carbonetos secundários na condição recozido. A solubilização dos carbonetos é necessária para que os elementos de liga, durante o revenimento ou o trabalho, promovam a precipitação secundária e a resistência a quente do material, como consequência. E quanto mais ligado o aço, maior a quantidade de carbonetos finos que atuam como barreiras ao crescimento de grão e, assim, permitem a utilização de maiores temperaturas de austenitização [2].

Desenhar corretamente a rota dos parâmetros térmicos de aquecimento, manutenção e resfriamento é de vital importância para se obter uma completa e uniforme estrutura martensítica, evitar a formação de bainita, precipitação de carbonetos em contornos de grãos e reduzir a formação excessiva de tensões no endurecimento [3]. A etapa de resfriamento deve ser conduzida com cuidado, uma vez que responde pela qualidade dos resultados quanto à uniformidade microestrutural, dureza e deformação. Um equipamento como o forno a vácuo para esse tratamento térmico deve ser capaz de programar e controlar o resfriamento depois de concluída a etapa de austenitização. Os modernos fornos a vácuo operam com, pelo menos, três termopares, sendo um do forno (fixo) e outros dois móveis para monitorar as temperaturas de superfície e núcleo do bloco. A Fig. 1 mostra o forno a vácuo para carga de até 1000 kg, dimensões 600x600x900 mm e capacidade de resfriamento com gás nitrogênio sob pressão de até 12 bar, utilizado para a têmpera do bloco de aço AISI H13 neste estudo.

Os fornos a vácuo modernos permitem ainda a utilização de um recurso técnico para realizar a operação conhecida como “martêmpera”. Esse recurso poderia ser utilizado naquelas situações de peças com grandes dimensões e variações de forma, com elevado risco de produzir deformações de grandes extensões ou mesmo trincas. A Fig. 2 ilustra a rota de martêmpera, ou “isothermal quenching”, para o forno de têmpera a vácuo, inclusive padronizada pela norma NADCA (North American Die Casting Association – Associação Norte-Americana de Fundição Injetada) quando necessária a sua utilização.

O fluxo de gás durante o resfriamento tem uma influência crítica na taxa de resfriamento do forno, como mostrado na parte I publicada nesta revista na edição Out a Dez 2013. Os bicos injetores de gás nitrogênio dispostos 360° na retorta do forno e em torno do bloco de aço e da porta, promovem um fluxo turbulento de gás com “Número Reynolds” maior que 2300 para altos níveis de extração de calor e asseguram a mais alta taxa de resfriamento [5].

A Têmpera a Vácuo do Bloco de Aço

Os parâmetros de tratamento térmico para aços da classe trabalho a quente foram selecionados como recomendados pelos fabricantes do aço e a execução ditada por normas, tais como NADCA [6], General Motors (GM DC-9999-1) [7] e Ford Motor (Ford AMTD-DC2010) [8]. Essas normas estabelecem procedimentos para a execução dos parâmetros de tratamento térmico, como: a temperatura de austenitização; tempo à temperatura de austenitização; taxas de aquecimento e resfriamento; diferenças permissíveis entre a superfície e núcleo no aquecimento e resfriamento; métodos de colocação de termopares na peça; taxa mínima de resfriamento de 28°C/min na faixa de temperatura 1030 e 540°C; microestruturas aceitáveis ao final do processo e métodos para ensaios mecânicos, entre outros. Enfim, a “receita” do processo é bem definida e o forno a vácuo capaz de executar e reproduzir com sucesso esses parâmetros.

A têmpera a vácuo do bloco de aço H13 de dimensões 406x406x406 mm descrito neste texto e executada conforme os parâmetros recomendados pela norma NADCA nas seguintes principais condições:

– Faixa de temperatura monitorada no resfriamento: 1030 a 540°C;

– Pressão de gás nitrogênio no resfriamento: 9 bar.

Os termopares utilizados para monitorar e registrar o resfriamento foram localizados em todas as superfícies e no núcleo do bloco de aço H13. A Fig. 4 apresenta duas vistas do bloco de aço H13 montado dentro da câmara do forno a vácuo e os respectivos fios de termopares colocados nas superfícies de cinco faces (profundidade 15 mm) e no núcleo (profundidade 200 mm).

O tratamento térmico do aço H13 exige controle estrito de todas as etapas: aquecimento, austenitização e resfriamento. Uma vez colocado o bloco de aço no centro da câmara do forno e todos os termopares corretamente fixados, a porta do forno é fechada para dar início ao processo térmico, como descrito na parte I de texto publicado nesta revista.

A Fig. 5 destaca as curvas obtidas no monitoramento com seis (6) termopares ao total na faixa crítica de temperaturas de 1030 a 540°C. As duas curvas de resfriamento que se destacam para os extremos de mínima e máxima taxa de resfriamento nesse processo, estão localizadas na base do bloco – termopar 4, cor azul claro, face inferior do bloco – com elevada taxa de resfriamento alcançando ~190°C/min; e outro termopar, como seria esperado, no núcleo alcançando a menor velocidade de resfriamento de ~40°C/min. Esses resultados de taxa de resfriamento atendem às normas citadas acima, que regulam o processo térmico de têmpera a vácuo de blocos de aço AISI H13, confirmando, apesar de óbvio, que o núcleo resfria a uma velocidade muito menor que a superfície.

Esses resultados de monitoramento de resfriamento do bloco de aço na faixa de temperatura de 1030 a 540°C mostram também que o resfriamento sob pressão de 9 bar de gás nitrogênio tem “taxas de resfriamento”, para quaisquer pontos do bloco de aço, superiores às mínimas recomendadas pelas normas GM9999-1 e NADCA. O resfriamento do bloco nessas condições evita a transformação perlítica, a precipitação de carbonetos em contornos de grãos e a formação bainítica até determinada profundidade do bloco.

A Fig. 6 apresenta as curvas de resfriamento desse mesmo bloco de aço H13, realizadas em três diferentes tamanhos de câmara de forno a vácuo e sobrepostas ao diagrama TRC – Transformação em Resfriamento Contínuo – do aço H13. Observa-se que, nesse caso, todos os tamanhos de câmara de forno a vácuo indicados nessa Fig. 5 – de 500x600x900 até 1000x1000x1500 mm – apresentam curva de resfriamento com taxas superiores às recomendadas pela norma NADCA, ou seja, dentro do campo à esquerda, limitado pela curva na cor vermelha e entre as curvas “5” e “6” de resfriamentos.

Concluindo, a seleção correta, a construção e o monitoramento do processo térmico mostram que o resfriamento de um bloco de aço AISI H13, dimensões 406x406x406 mm, com têmpera a vácuo nas condições descritas acima, permitem obter a desejável microestrutura na seção transversal com vistas a potencializar as propriedades mecânicas interessantes à aplicação deste aço. E, finalmente, a têmpera a vácuo desse bloco atende às recomendações da norma NADCA.

Referências


[1] Tool Steels, Steel Products Manual. Iron and Steel Society, april 1988.
[2] Efeito das condições de tratamento térmico na microestrutura e propriedades mecânicas de aços ferramentas. Mesquita,R.A; Leiva,D.R; Barbosa,C.A. Villares Metals.
[3] Precision Cooling of Vacuum Heat Treated Hot Work Tool Steel is Critical; J.Kowaleswki; Industrial Heating, p.93-95, September, 2004.
[4] Foto de forno de fabricante Seco-Warwick®, Polônia,PO.
[5] Gráfico de processo térmico de têmpera a vácuo fornecido pela empresa Isoflama, Indaiatuba,SP.
João Carmo Vendramim
João Carmo Vendramim
Especialista em tratamentos térmicos, formado em engenharia metalúrgica pela Escola de Engenharia de Mauá, em São Caetano do Sul - SP, com mestrado pela Unicamp. Trabalhou por vários anos na Brasimet e foi representante da empresa de equipamentos de tratamentos térmicos Nitrex, do Canadá. Diretor Técnico e Comercial na Isoflama Indústria e Comércio de Equipamentos

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