Guia de Tratamento Térmico do Aço para Ferramentas H10

O aço para ferramentas de trabalho a quente H10 é um aço-liga de cromo-molibdênio-vanádio caracterizado pela resistência ao amolecimento em altas temperaturas e alta tenacidade. É amplamente utilizado em moldes de fundição sob pressão, matrizes de forjamento e ferramentas de extrusão, onde se encontram alta pressão e fadiga térmica. O aço H10 fornecido pela nossa empresa, Aobo Steel, está na condição recozida, apresentando uma microestrutura composta por uma matriz ferrítica e carbonetos esferoidizados. Esta condição apresenta baixa dureza, facilitando a usinagem pelos nossos clientes. Também oferecemos H10 refundido por eletroescória (ESR), com maior pureza e uma microestrutura mais uniforme, o que pode prolongar significativamente a vida útil do H10.

No entanto, a realização final do desempenho superior do H10 depende do tratamento térmico de endurecimento subsequente, que transforma a matriz recozida macia em uma estrutura martensítica endurecida após o temperamento. 

Este processo de tratamento térmico inclui principalmente: alívio de tensões, pré-aquecimento, austenitização, têmpera e revenido. Este artigo abordará essas etapas críticas.

Lista de verificação rápida para o tratamento térmico do aço para ferramentas H10

Tratamento térmico para alívio de tensões

As operações de usinagem e conformação geram tensões residuais no aço de ferramentas H10. Se essas tensões não forem aliviadas antes do tratamento térmico de endurecimento subsequente, sua liberação pode facilmente causar deformação grave ou empenamento das peças de trabalho H10. O tratamento de alívio de tensão não altera a microestrutura do material H10.

Durante a operação específica, a peça H10 deve ser aquecida uniformemente de 650 °C a 675 °C (1200 °F a 1250 °F). O tempo de manutenção é normalmente calculado como 1 hora por polegada de espessura da seção transversal da peça H10, com um tempo mínimo de 1 hora. A peça é então resfriada lentamente ao ar.

Pré-aquecimento antes da austenitização

O pré-aquecimento minimiza o risco de deformação e fissuração no aço para ferramentas H10 causado por diferenças de temperatura. Na prática, a peça H10 é aquecida a aproximadamente 650 °C (1200 °F) para o pré-aquecimento inicial.

Posteriormente, para componentes H10 submetidos a tratamento em banho de sal a alta temperatura ou com geometrias transversais complexas, recomenda-se um segundo pré-aquecimento a 845–870 °C (1555–1600 °F). Essa abordagem de aquecimento em etapas mitiga eficazmente o choque térmico nos componentes H10 antes de entrar na fase de austenitização, garantindo, assim, a integridade estrutural e a estabilidade dimensional do aço para ferramentas H10.

Austenitização

Após a conclusão do pré-aquecimento, o aço H10 deve ser aquecido até a temperatura de austenitização. A temperatura de austenitização para o aço H10 varia de 1010 °C a 1040 °C (1850 °F a 1900 °F). O controle rigoroso da atmosfera do forno é essencial para evitar a descarbonização da superfície do H10. Recomenda-se o uso de banhos de sal fundido, atmosferas inertes ou fornos a vácuo para proteção da superfície. Quando toda a peça atingir a temperatura predefinida, ela deve ser mantida por 15 a 40 minutos. Deve-se prestar especial atenção ao controle do tempo de manutenção para evitar o crescimento excessivo dos grãos na microestrutura, devido à exposição prolongada.

Resfriamento

A têmpera é o processo de transformação da austenita em uma estrutura martensítica dura por meio de resfriamento rápido e controlado. O aço H10 apresenta alta penetração na têmpera, permitindo o endurecimento completo a taxas de resfriamento relativamente lentas em comparação com os aços carbono comuns.

Os meios de têmpera padrão incluem ar, gás inerte ou banhos graduados de óleo/sal; a têmpera com água é estritamente proibida para evitar rachaduras.

Em termos de seleção de processo, o resfriamento com gás (ar) é adequado para várias seções transversais e minimiza a deformação. O resfriamento gradual com óleo/sal, no entanto, reduz efetivamente a formação de incrustações e garante o endurecimento uniforme de peças de grande seção, mantendo o equilíbrio da temperatura em um meio de 595–650 °C (1105–1200 °F) antes do resfriamento com ar dos componentes H10.

O processo de têmpera deve ser interrompido imediatamente quando a ferramenta H10 esfriar para aproximadamente 50°C a 66°C (120°F a 150°F), e o processo de revenimento deve ser iniciado imediatamente para evitar fissuras por tensão na peça.

Têmpera

A estrutura martensítica temperada apresenta extrema fragilidade e elevadas tensões internas. O revenimento é essencial para melhorar a resistência, a plasticidade e a estabilidade dimensional do material.

Para o aço para ferramentas H10, recomenda-se vivamente o temperamento duplo: o segundo temperamento permite que a martensita recém-formada durante o processo de arrefecimento do primeiro temperamento seja totalmente temperada, reduzindo assim eficazmente o risco de fraturas frágeis durante a vida útil subsequente da peça.

Em termos de processo, o revenido deve ser realizado imediatamente após a têmpera, empregando um método de aquecimento lento. O tempo de permanência em cada ciclo de revenido deve ser calculado para ser de pelo menos 2 horas por polegada da espessura da seção transversal da peça, a fim de garantir a transformação microestrutural completa.

Tabela comparativa de temperatura de têmpera e dureza H10

Solução de problemas do tratamento térmico H10

Observação: Embora o H10 e o H11 pertençam a classes diferentes, como aços para ferramentas de trabalho a quente à base de cromo (série Cr-Mo-V), eles compartilham problemas semelhantes durante o tratamento térmico. Portanto, as diretrizes a seguir também se aplicam ao diagnóstico e ao reparo de falhas comuns no aço de ferramentas H11.

Tratamento térmico de têmpera

Trincas aparecem durante ou imediatamente após o resfriamento brusco. A causa pode ser a falta de revenimento imediato da peça após o resfriamento brusco, impedindo a liberação imediata das imensas tensões estruturais geradas durante o processo. É essencial transferir a peça para um forno de revenimento pré-aquecido assim que sua temperatura atingir aproximadamente 50-60°C.

Pontos fracos da superfície

Pontos fracos na superfície manifestam-se principalmente como uma distribuição irregular de dureza na superfície da peça, com áreas localizadas de baixa dureza. Esse fenômeno surge principalmente por duas causas: primeiro, durante o resfriamento em líquido, filmes de vapor formados localmente podem impedir o contato direto entre o fluido refrigerante e a peça, resultando em taxas de resfriamento insuficientes e, consequentemente, endurecimento irregular. Segundo, a proteção inadequada durante o aquecimento pode causar descarbonetação da superfície, levando à perda de carbono e impedindo que a camada superficial atinja a dureza desejada.

Para resolver essas causas, são implementadas as seguintes medidas corretivas: durante o resfriamento, agite bem o meio de resfriamento para quebrar a película de vapor; durante a fase de austenitização, utilize métodos de atmosfera controlada, como fornos a vácuo, banhos de sal ou folhas protetoras para evitar a descarbonização.

Dureza insuficiente

A dureza insuficiente manifesta-se principalmente quando o aço não atinge a dureza desejada após o tratamento térmico. Isso geralmente decorre de uma das três causas: a temperatura de austenitização foi muito baixa, o tempo de permanência foi insuficiente ou a taxa de resfriamento durante a têmpera foi muito lenta.

A solução envolve a calibração regular da temperatura do forno e a inspeção do posicionamento do termopar para garantir que a temperatura da peça medida esteja dentro da faixa de têmpera especificada, de 1010 °C a 1040 °C, conforme exigido pela norma H10, assegurando, ao mesmo tempo, tempo de permanência suficiente para promover a transformação microestrutural. Durante a etapa de têmpera ao ar, aumente a intensidade do resfriamento elevando a pressão ou a velocidade de circulação do ar de resfriamento para obter a microestrutura martensítica desejada.

Resistência ao impacto insuficiente

A resistência ao impacto insuficiente manifesta-se principalmente como uma fratura inesperada e frágil que ocorre no início da vida útil dos componentes. As causas potenciais incluem: taxas de resfriamento excessivamente lentas, levando à precipitação preferencial de carbonetos de liga ao longo dos limites dos grãos e, assim, enfraquecendo a ligação intergranular; ou, se a temperatura de têmpera cair precisamente dentro da zona de sensibilidade à fragilidade de têmpera de 500 °C a 550 °C, também pode ser induzida uma fragilização significativa.

As soluções incluem: aumentar a taxa de resfriamento durante a têmpera para suprimir eficazmente a precipitação de carboneto nos limites dos grãos; evitar a faixa de temperatura de fragilização durante o revenimento e optar pelo revenimento “sobreenvelhecido” em temperaturas que excedam o pico de endurecimento secundário. Essa abordagem atinge a resistência ideal, preservando a dureza necessária.

Perguntas frequentes