Guia de Tratamento Térmico de Aço para Ferramentas M2

Aço rápido M2 da Aobo Steel

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Tabela de temperaturas de tratamento térmico do aço ferramenta M2

O gráfico abaixo resume os principais dados de tratamento térmico do aço ferramenta M2. A sequência completa do processo é explicada passo a passo na seção a seguir.

O aço M2 deve ser aquecido em forno a vácuo, em atmosfera neutra controlada ou, quando possível, em banho de sal neutro. Nas temperaturas de têmpera do M2, pode ocorrer descarbonetação superficial. Isso resulta em uma camada externa macia e reduz a resistência ao desgaste.

Como realizar o tratamento térmico do aço ferramenta M2 passo a passo

O tratamento térmico M2 deve ser gerenciado como um processo metalúrgico contínuo; cada etapa se inter-relaciona e influencia as demais. O pré-aquecimento inadequado aumenta a probabilidade de choque térmico e fissuração. A austenitização subótima interrompe a dissolução de carbonetos e aumenta a austenita retida. O resfriamento inadequado prejudica a dureza alcançável e causa distorção. O revenido em múltiplos estágios insuficiente deixa a microestrutura metaestável.

Passo 1: Alívio do estresse antes do endurecimento

Recomenda-se o alívio de tensões quando uma ferramenta M2 tiver sido submetida a usinagem intensa antes da têmpera. Quando uma grande quantidade de material é removida, as tensões internas de usinagem podem causar movimentação ou fissuras durante o tratamento térmico final.

Aqueça a ferramenta lentamente a 650–675 °C (1200–1245 °F) e mantenha nessa temperatura por cerca de 1 a 2 horas por polegada de seção transversal. Resfrie a ferramenta lentamente até a temperatura ambiente. Esta etapa não endurece o aço. Ela alivia a tensão interna antes do ciclo de têmpera em alta temperatura. Conclua o desbaste antes do alívio de tensões. Deixe uma margem suficiente para a retificação final após a têmpera e o revenimento.

Etapa 2: Pré-aquecimento duplo para aço ferramenta M2

O aço M2 não deve ser colocado diretamente na faixa de austenitização. Devido ao seu alto teor de liga e alta temperatura de endurecimento, o aquecimento direto em alta temperatura pode causar choque térmico significativo e aumentar o risco de fissuração.

O objetivo do pré-aquecimento é equalizar as temperaturas, não mantê-las aquecidas por muito tempo. Uma vez aquecidas uniformemente, austenitize a ferramenta imediatamente. Manter a ferramenta aquecida por tempo excessivo é desnecessário e pode aumentar a descarbonetação se a atmosfera for mal protegida.

Algumas referências indicam uma faixa geral de pré-aquecimento M2 de 730–845 °C, ou um ciclo elevado de dois estágios a 843 °C e 1010 °C. Para um processo claro e dividido em etapas, as sequências de 540–650 °C e 845–870 °C são mais fáceis de seguir e explicam diretamente a ordem de aquecimento antes do endurecimento.

Etapa 3: Temperatura de austenitização e tempo de permanência

A liga M2 é tipicamente austenitizada a 1190–1230 °C (2175–2245 °F). Esta é a etapa mais crítica. A temperatura deve ser suficiente para dissolver os carbonetos de liga necessários, mas permanecer abaixo dos limites que causam crescimento de grão, excesso de austenita retida ou danos térmicos.

O tempo de permanência na temperatura de austenitização deve ser curto. Após a ferramenta atingir a temperatura, mantenha o M2 nessa temperatura por apenas 2 a 5 minutos. Este é o tempo após a equalização da temperatura na seção, e não o tempo total do ciclo do forno. O tempo gasto no aquecimento não é contabilizado como tempo de permanência na temperatura. Seções muito grandes podem necessitar de 5 a 7 minutos. Não mantenha o M2 nessa temperatura como faria com um aço de baixa liga.

O tempo excessivo de imersão é uma das causas mais comuns de falha no tratamento térmico M2. Muito tempo em alta temperatura dissolve muito carbono e liga na austenita. Isso aumenta a austenita retida, grosseira os grãos e reduz a tenacidade. O aquecimento insuficiente tem o efeito oposto. Causa dissolução insuficiente de carbonetos, menor dureza e endurecimento secundário mais fraco durante o revenido. O objetivo é uma dissolução controlada de carbonetos dentro de uma faixa estreita, e não o tempo máximo no forno.

Etapa 4: Métodos de têmpera: banho de óleo, ar e sal

Após a austenitização, resfrie a amostra M2 em óleo, ar ou banho de sal quente. O melhor método depende do tamanho da ferramenta, da dureza desejada, da tolerância à distorção e dos equipamentos disponíveis.

A têmpera em óleo é frequentemente escolhida quando se exige a máxima resposta de dureza, resfriando a ferramenta da austenitização até 66–93 °C (150–200 °F). A têmpera ao ar é mais suave e reduz o risco de distorção, sendo adequada para seções menores ou ferramentas onde a estabilidade dimensional é mais importante do que um resfriamento agressivo. A têmpera em banho de sal quente proporciona melhor controle da equalização da temperatura: a ferramenta é mantida nessa temperatura até que a seção transversal se equalize, sendo então resfriada ainda mais antes do revenimento, o que reduz o choque térmico e a distorção quando controlado adequadamente.

Independentemente do meio de têmpera, o revenido deve começar assim que a ferramenta esfriar até 66–93 °C. A permanência prolongada no estado martensítico após a têmpera aumenta o risco de fissuração tardia ou distorção dimensional devido à austenita retida não revenida e à tensão residual.

Etapa 5: Tratamento opcional para temperaturas abaixo de zero

O tratamento subzero é opcional. É utilizado principalmente quando a estabilidade dimensional é crítica, como em ferramentas complexas, componentes de precisão ou peças onde a austenita retida precisa ser ainda mais reduzida.

Uma faixa típica de temperatura abaixo de zero é de -100 a -195 °C (-150 a -320 °F). Após a peça retornar à temperatura ambiente, o revenimento deve começar imediatamente. Para formatos complexos, um breve revenimento de alívio de tensões em baixa temperatura pode ser aplicado antes do congelamento para reduzir o risco de trincas. O tratamento abaixo de zero não substitui a austenitização, a têmpera e os múltiplos revenimentos adequados. Trata-se apenas de uma etapa adicional de estabilização quando o projeto da ferramenta e as condições de serviço o exigem.

Etapa 6: Têmpera dupla ou tripla

O revenimento deve começar imediatamente após a têmpera. Se for utilizado um ciclo subzero, o revenimento deve ser iniciado assim que a peça retornar à temperatura ambiente. O processo M2 depende do endurecimento secundário. O revenimento faz mais do que aliviar tensões; ele controla a transformação da austenita retida, a precipitação de carbonetos, a dureza final e a tenacidade.

A faixa de têmpera comum para o aço M2 é de 538–595 °C (1000–1105 °F). A têmpera dupla é o requisito mínimo prático. A têmpera tripla é frequentemente utilizada para ferramentas de corte, ferramentas de precisão e condições de serviço exigentes.

Cada ciclo de revenido deve ser seguido por um resfriamento à temperatura ambiente antes do início do próximo. Essa etapa de resfriamento é importante porque a austenita retida pode se transformar em martensita fresca durante o resfriamento, e o próximo revenido alivia a tensão nessa martensita recém-formada. Não confie em um único revenido para a liga M2. Um ciclo geralmente não é suficiente para estabilizar a estrutura.

Tabela de temperatura de revenido e dureza M2

O aço M2 apresenta uma forte resposta de endurecimento secundário. Sua dureza não diminui simplesmente com o aumento da temperatura de revenido. Na faixa de alta temperatura de revenido, ocorre a precipitação de carbonetos finos de liga, e a dureza pode aumentar novamente.

O gráfico abaixo mostra a dureza típica após revenimento duplo quando o aço M2 é austenitizado em torno de 1230°C / 2250°F.

Para muitas aplicações de corte e usinagem em aço M2, o revenimento em torno de 540–565 °C é comum, pois situa-se próximo à faixa de endurecimento secundário e equilibra dureza, desempenho de corte, tenacidade e estabilidade.

O aço M2 não deve ser subtemperado. Uma temperatura de revenido baixa ou um número insuficiente de ciclos pode levar a tensões internas elevadas e austenita retida instável. O revenido duplo é o mínimo, e o revenido triplo é frequentemente utilizado para ferramentas mais exigentes.

Efeito da temperatura de austenitização na dureza M2 revenida

A temperatura de austenitização afeta a resposta final de dureza. Uma temperatura de têmpera mais alta dissolve mais carbono e elementos de liga, fortalecendo o endurecimento secundário durante o revenido, mas também aumenta a austenita retida e o risco de superaquecimento.

A tabela abaixo utiliza um conjunto de dados separado, reportado em °C, portanto seus valores de pico diferem ligeiramente do gráfico de revenido duplo em °F acima. Os dois não são contraditórios. Eles provêm de diferentes lotes de aço, condições de austenitização e configurações de teste, e ambos mostram a mesma tendência: um pico de endurecimento secundário próximo a 525–550 °C, seguido por uma queda acima de 575 °C.

Por isso, o aço M2 não deve ser tratado termicamente apenas para atingir o maior valor de dureza. Uma temperatura de têmpera mais alta pode produzir um endurecimento secundário mais forte, mas a margem de segurança do processamento torna-se menor. Na produção, o objetivo mais importante é obter dureza estável com tenacidade aceitável, austenita retida controlada e vida útil da ferramenta confiável.

Problemas de tratamento térmico M2

A maioria das falhas no tratamento térmico M2 decorre de cinco áreas: austenitização incorreta, permanência excessiva na atmosfera, proteção atmosférica inadequada, têmpera incorreta e revenimento insuficiente.

O superaquecimento e o tempo de imersão excessivo são problemas sérios, pois o aço M2 é processado próximo ao seu limite de alta temperatura. Temperaturas ou tempos excessivos causam o crescimento de grãos grosseiros, aumentam a austenita retida, reduzem a tenacidade e diminuem a confiabilidade da ferramenta. O aquecimento insuficiente impede a dissolução suficiente dos carbonetos da liga, reduzindo a dureza após a têmpera e enfraquecendo o endurecimento secundário durante o revenido.

A presença de austenita retida é esperada no aço M2, mas o excesso de austenita retida causa problemas. Ela pode se transformar posteriormente durante o serviço, formando martensita fresca, causando crescimento dimensional e tensões internas, além de aumentar o risco de trincas. A descarbonetação é outra importante causa de falhas: quando aquecida sem vácuo, em atmosfera neutra ou sem proteção de banho de sal, a superfície perde carbono e permanece macia após o endurecimento.

Erros de revenimento são especialmente dispendiosos. O aço M2 requer múltiplos ciclos de revenimento, pois a transformação da austenita retida e o revenimento da martensita fresca não podem ser concluídos em um único ciclo. Para um desempenho estável, a ferramenta deve resfriar até a temperatura ambiente entre os revenimentos.