Guia de Tratamento Térmico do Aço 52100

AISI 52100 É um aço hipereutetóide de alto carbono e baixo teor de cromo, contendo aproximadamente 1,0% de carbono e 1,5% de cromo. É amplamente utilizado internacionalmente em mancais totalmente temperados e aplicações de alto desgaste.

As propriedades do aço 52100 derivam tanto de sua composição quanto de um tratamento térmico de endurecimento adequado. Enquanto o tratamento térmico convencional de aços-ferramenta visa minimizar a austenita retida para evitar deformações e trincas, o tratamento térmico do aço 52100 retém intencionalmente uma porção dela. Quando o aço 52100 é utilizado em rolamentos, ele gera fadiga por contato de rolamento de alta frequência. A austenita residual é especificamente projetada para suportar essa condição de operação. Pesquisas indicam que rolamentos de aço 52100 contendo austenita residual de 5% a 15% geralmente apresentam maior vida útil à fadiga por rolamento do que rolamentos sem austenita residual.

Após receberem o aço 52100 recozido, nossos clientes devem realizar seus próprios tratamentos térmicos, incluindo o recozimento para alívio de tensões e a têmpera. O processo de têmpera segue os procedimentos padrão para aços-ferramenta, abrangendo pré-aquecimento, austenitização, têmpera e revenido. Este documento se concentra nessas etapas.

Tratamento térmico para alívio do estresse

Para garantir a estabilidade dimensional durante a etapa subsequente de têmpera do aço 52100, as operações de alívio de tensões são essenciais, principalmente após usinagem pesada ou conformação. As tensões residuais de usinagem na peça são aliviadas durante o tratamento térmico, resultando em alterações dimensionais significativas.

Procedimento operacional: Aquecer a uma temperatura entre 650 °C e 700 °C (1200 °F e 1300 °F). Manter nessa temperatura por tempo suficiente para eliminar completamente as tensões internas. Em seguida, realizar um resfriamento lento no forno até aproximadamente 500 °C, seguido de um resfriamento final ao ar até a temperatura ambiente.

Pré-aquecimento

O pré-aquecimento do aço AISI 52100 previne o choque térmico e garante uma distribuição uniforme de temperatura entre a superfície e o núcleo da peça. Este aço de alto carbono possui condutividade térmica relativamente baixa. O aquecimento rápido pode criar diferenciais de temperatura significativos entre o interior e o exterior, aumentando o risco de fissuras no material 52100. A faixa de temperatura de pré-aquecimento é de 650 °C a 705 °C (1200 °F a 1300 °F).

Austenitização

O objetivo da austenitização é dissolver uma quantidade adequada de carbono e cromo na fase austenítica para garantir alta dureza após o resfriamento. Simultaneamente, preserva carbonetos não dissolvidos finamente dispersos e distribuídos, aumentando a resistência ao desgaste do material. 

A temperatura de austenitização recomendada para o aço 52100 é tipicamente de 815 °C a 845 °C (1500 °F a 1555 °F). Mantenha nessa temperatura por 10 a 30 minutos, dependendo das dimensões da seção transversal da peça. O superaquecimento ou o tempo de manutenção excessivo devem ser evitados, pois essas práticas geram excesso de austenita retida e reduzem significativamente a tenacidade do material devido ao crescimento de grãos.

Resfriamento

O processo de têmpera visa transformar rapidamente a estrutura austenítica em martensita. O aço AISI 52100 pode ser temperado em óleo; a têmpera em água é proibida, pois a alta intensidade de resfriamento nesse processo é altamente propensa a induzir trincas por tensão. O banho de óleo deve ser mantido entre 40 °C e 60 °C (100 °F e 140 °F). Essa faixa de temperatura garante um resfriamento estável, minimizando a deformação causada por choque térmico. 

A agitação mecânica durante o resfriamento é essencial para garantir um resfriamento uniforme e evitar pontos fracos localizados. Quando resfriado corretamente, o aço 52100 normalmente atinge uma dureza de 63–65 HRC.

Têmpera

Quando a peça de aço 52100 esfria durante a têmpera até uma temperatura residual (entre 50 °C e 70 °C), ela deve ser imediatamente transferida para o forno de revenido. O revenido elimina as tensões residuais da têmpera, reduzindo a fragilidade do aço 52100 e prevenindo o surgimento de trincas espontâneas. Para aplicações em mancais, as temperaturas padrão de revenido variam de 180 °C a 250 °C para manter a dureza acima de 60 HRC.

Problemas comuns e soluções no tratamento térmico do aço 52100

1. Descarbonetação

A descarbonetação ocorre principalmente quando as peças reagem com o oxigênio em altas temperaturas, levando à perda de carbono na superfície e à formação de uma camada macia. Para prevenir eficazmente a descarbonetação, recomenda-se o uso de atmosferas protetoras, banhos de sal ou fornos a vácuo durante o processo de têmpera do aço 52100. É essencial manter uma atmosfera estritamente neutra ou ligeiramente redutora dentro do forno para evitar reações de oxidação.

2. Trincas de têmpera

As trincas de têmpera em aço 52100 geralmente se originam de taxas de resfriamento excessivas ou choque térmico, ocorrendo com maior frequência durante a têmpera em água ou quando o aquecimento ultrapassa a temperatura recomendada. Para solucionar esse problema, utilize óleo a 40-60 °C como meio de têmpera. Simultaneamente, minimizar a diferença de temperatura entre o interior e o exterior da peça por meio de um pré-aquecimento completo, juntamente com um controle rigoroso da temperatura de austenitização dentro da faixa recomendada, pode reduzir significativamente o risco de trincas.

3. Distorção Dimensional

As principais causas de deformação dimensional na peça de aço 52100 incluem taxas de resfriamento desiguais e a liberação de tensões residuais de usinagem durante o aquecimento. Para solucionar esse problema, recomenda-se incorporar uma etapa de tratamento de alívio de tensões após o desbaste, realizada a 650 °C-700 °C. Além disso, o uso de um método de têmpera em etapas pode proporcionar uma distribuição uniforme de temperatura em toda a peça antes do início da transformação martensítica, controlando, assim, a deformação de forma eficaz.

4. Austenita retida

O superaquecimento durante a austenitização do aço 52100 reduz a temperatura de início da transformação martensítica (Ms), resultando em excesso de austenita retida após o resfriamento. Essa estrutura é mais macia, causando instabilidade dimensional na peça. A solução é respeitar rigorosamente a faixa de temperatura de austenitização de 815-845 °C. Para requisitos especiais, um tratamento criogênico profundo imediato (por exemplo, de -70 °C a -100 °C) após o resfriamento pode ser realizado para promover a transformação completa da austenita retida em martensita.

Perguntas frequentes