O que é aço ferramenta de têmpera ao ar e como funciona?

O que é aço ferramenta de têmpera ao ar?

Os aços ferramenta de endurecimento ao ar contêm carbono e elementos de liga suficientes para endurecerem durante o resfriamento ao ar a partir da temperatura de austenitização. No sistema AISI, a série A é o principal grupo de aços ferramenta de trabalho a frio de endurecimento ao ar. A2, A6 e A7 são exemplos típicos.

Na seleção prática de aços-ferramenta, o comportamento de endurecimento ao ar também se manifesta fora da série A. Aços-ferramenta de alta liga como D2, H13, S7, M2 e muitos outros podem ser endurecidos por resfriamento ao ar, ar forçado ou gás. O ponto em comum é a alta temperabilidade.

Temperabilidade significa a capacidade do aço de endurecer em toda a sua seção transversal durante a têmpera. No aço ferramenta de têmpera ao ar, uma alta temperabilidade permite que o aço endureça sem a necessidade de têmpera em água ou óleo.

Como funciona o processo de têmpera ao ar do aço ferramenta?

O endurecimento do aço depende da formação de martensita. Quando o aço ferramenta é aquecido até sua temperatura de austenitização, sua estrutura se transforma em austenita. Durante o resfriamento, o aço deve evitar a formação de estruturas mais macias, como perlita ou bainita. Se a taxa de resfriamento for suficientemente alta, a austenita se transforma em martensita.

Os aços carbono comuns necessitam de uma alta taxa crítica de resfriamento. Devem resfriar muito rapidamente para evitar a formação de perlita, portanto, os aços de endurecimento em água requerem uma têmpera severa.

Os aços ferramenta de têmpera ao ar possuem uma taxa crítica de resfriamento mais baixa. Elementos de liga como cromo, molibdênio, manganês, vanádio e tungstênio retardam a transformação da austenita em perlita ou bainita. Isso dá ao aço tempo suficiente para atingir a faixa de transformação martensítica durante um resfriamento mais lento.

Consequentemente, o resfriamento a ar ou a gás ainda pode produzir martensita. O aço endurece, mas a tensão de têmpera é muito menor do que na têmpera em água ou óleo.

Por que o endurecimento ao ar reduz a distorção e o aparecimento de fissuras

A distorção resulta principalmente do resfriamento desigual e da transformação desigual.

No processo de têmpera em água ou óleo, a superfície esfria muito mais rápido que o núcleo. A superfície se contrai primeiro, enquanto o interior permanece quente e expandido. Isso cria tensão térmica. Se a tensão se tornar muito alta, a ferramenta pode empenar ou rachar.

A formação de martensita também gera tensões, pois o aço se expande durante a transformação. Em um resfriamento severo, a superfície pode se tornar martensita dura enquanto o núcleo ainda é austenita quente. Quando o núcleo se transforma e se expande posteriormente, ele exerce pressão contra a superfície já endurecida. Isso pode causar trincas ou deformações significativas.

O endurecimento ao ar reduz esse problema. A superfície e o núcleo resfriam de maneira mais uniforme. A diferença de temperatura dentro da ferramenta diminui. A transformação martensítica também ocorre de forma mais uniforme em toda a seção. Isso confere aos aços-ferramenta endurecíveis ao ar melhor estabilidade dimensional e maior segurança durante o processo de têmpera.

Aço ferramenta para têmpera ao ar vs. têmpera em óleo vs. têmpera em água

Os aços para ferramentas de têmpera em água, em óleo e ao ar diferem principalmente em termos de teor de liga, temperabilidade, severidade de têmpera e estabilidade dimensional.

Os aços de endurecimento ao ar são geralmente escolhidos quando a estabilidade dimensional, o endurecimento profundo ou um menor risco de fissuração são mais importantes do que o custo da matéria-prima.

Aços para ferramentas comuns de têmpera ao ar

Os aços ferramenta de endurecimento ao ar não se limitam a um único grupo AISI. A série A é a família clássica de aços para trabalho a frio com endurecimento ao ar, mas muitos aços das séries D, H, S e aços rápidos também endurecem por resfriamento a ar ou gás.

Considerações sobre o tratamento térmico do aço ferramenta para têmpera ao ar

O aço ferramenta de têmpera ao ar requer tratamento térmico controlado. O processo usual inclui recozimento, usinagem, alívio de tensões quando necessário, austenitização, têmpera ao ar ou a gás e revenido.

A temperatura exata depende da classe do aço. Os aços A2, D2, H13, S7 e M2 não compartilham o mesmo programa de tratamento térmico. Um aço para trabalho a frio, um aço para trabalho a quente e um aço rápido requerem diferentes condições de têmpera e revenido.

A proteção da superfície também é importante. Muitas ligas de aço de têmpera ao ar utilizam altas temperaturas de austenitização. Uma atmosfera inadequada no forno pode causar descarbonetação, deixando uma camada superficial macia. Fornos a vácuo, atmosferas controladas, banhos de sal ou métodos adequados de embalagem ajudam a reduzir esse risco.

A austenita retida também pode afetar a estabilidade dimensional. Um alto teor de liga pode resultar em austenita instável após o resfriamento brusco. Múltiplos ciclos de revenido e, por vezes, tratamento criogênico, ajudam a estabilizar a estrutura antes do uso.

Quando escolher o aço ferramenta de têmpera ao ar?

Escolha aço ferramenta de têmpera ao ar quando a ferramenta precisar de alta dureza com distorção mínima por tratamento térmico. É especialmente útil quando o formato da ferramenta torna o resfriamento em água ou óleo arriscado.

Limitações do aço ferramenta endurecido ao ar

O aço ferramenta de têmpera ao ar tem vantagens claras, mas também tem limitações.

A primeira limitação é a usinabilidade. O alto teor de liga e os carbonetos duros tornam muitos aços de têmpera ao ar mais difíceis de usinar e retificar. Os aços da série A são geralmente menos usináveis do que os aços de têmpera em água. O D2 é ainda mais difícil devido ao seu alto volume de carbonetos.

A segunda limitação é o custo. Cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio e outros elementos de liga aumentam o custo da matéria-prima. Aços de têmpera ao ar geralmente custam mais do que os aços simples das séries W ou O.

A terceira limitação é a dimensão da seção. Os aços de têmpera ao ar têm endurecimento profundo, mas mesmo assim o ar tem seus limites. Seções muito grandes podem exigir resfriamento por ar forçado, têmpera a gás ou outro método de resfriamento controlado. A escolha correta depende da classe, dimensão, geometria e capacidade do forno.

A normalização geralmente não é adequada para aços ferramenta de têmpera ao ar. O resfriamento ao ar a partir de altas temperaturas pode endurecer o aço, transformando-o em martensita frágil. Quando o amolecimento é necessário, esses aços normalmente requerem recozimento completo em vez de normalização.

O endurecimento ao ar também não significa distorção zero. Aquecimento inadequado, espessura irregular da seção, resfriamento incorreto, revenimento tardio ou controle deficiente do forno ainda podem causar fissuras, alterações dimensionais ou redução da vida útil da ferramenta.