variação dimensional do aço para ferramentas no tratamento térmico

O aço temperado sai da têmpera maior do que entrou, e o quanto ele se move depende da família do grau. Os valores abaixo mostram o crescimento esperado para aços-ferramenta de têmpera em água, óleo e ar, para que você possa deixar um molde com material suficiente para o corte de acabamento após a têmpera, em vez de descartá-lo.

Crescimento esperado da família de aços para ferramentas

Crescimento de uma peça totalmente temperada por polegada de dimensão. As duas colunas calculadas à direita convertem a taxa para um comprimento de 12 in. e de 300 mm, e são calculadas a partir da taxa, não cotadas. O crescimento de um bloco específico também depende da sua forma, e é por isso que a segunda metade desta página importa tanto quanto a tabela.

Família	Classes típicas	Crescimento esperado, em polegadas por polegada.	Em um comprimento de 12 polegadas	Em um comprimento de 300 mm
Têmpera em água	W1, W2	+0,002 a +0,004	+0,024 a +0,048 pol.	+0,6 a +1,2 mm
Têmpera em óleo	O1, O2, O6	+0.0015	+0,018 pol.	+0,45 mm
Endurecimento ao ar	A2, A6, S7, H13	+0.001	+0,012 pol.	+0,30 mm
Endurecimento ao ar	D2	±0.0005	±0.006 in.	±0.15 mm

Fonte: Tool and Die Making Troubleshooter (RM Leed), Tabela 8-9, com dados de distorção da Bethlehem Steel Corporation. As colunas de 12 polegadas e 300 mm foram calculadas a partir da taxa na terceira coluna.

De onde vem o movimento?

Toda mudança de tamanho na têmpera é uma mudança de volume na estrutura cristalina, e a tabela abaixo mostra as três etapas que se somam a ela. A mudança de volume é citada conforme publicada, e a terceira coluna é um terço dela, que é a mudança em uma única dimensão.

Reação	Variação de volume, %	Variação dimensional, em polegadas por polegada.
Esferoidita para austenita, durante o aquecimento	-4,64 + 2,21 (%C)	-0,0155 + 0,0074 (%C)
Austenita se transforma em martensita durante o resfriamento rápido.	4,64 – 0,53 (%C)	0,0155 – 0,0018 (%C)
Esferoidita para martensita, mudança líquida após o endurecimento	1,68 (%C)	0,0056 (%C)

Fonte: Manual da ASM, Volume 11, Falhas Relacionadas a Operações de Tratamento Térmico, Tabela 2, alterações dimensionais durante o endurecimento de aços carbono para ferramentas. A coluna dimensional representa um terço da variação de volume, cuja relação de deformação é dada pela Equação 2 no mesmo capítulo.

• C representa o carbono dissolvido na austenita, não o carbono presente na análise. Em uma liga com alto teor de cromo, como a D2, grande parte do carbono permanece nos carbonetos da liga e nunca entra em solução; portanto, a variação líquida para essa liga é muito menor do que a fórmula sozinha sugere. Utilize a fórmula para observar a direção de cada etapa e a tabela de crescimento acima para a tolerância.
• A esferoidita é a microestrutura do aço ferramenta recozido tal como é recebido.

Lendo a tabela

O crescimento em pelo menos uma dimensão é normal. Uma peça que não apresenta nenhum transformou-se completamente, e o volume faltante aparecerá depois, muitas vezes após uma operação de retífica ou em serviço. Os aços que retêm muita austenita são os que mais se movem, e é por isso que graus de têmpera ao ar são revenidos duas e três vezes.

A geometria decide quais dimensões se movem. Uma peça retangular longa e fina que tempera em toda a seção cresce em largura, espessura e comprimento. Uma peça longa e espessa que não tempera em toda a seção cresce em largura e espessura e encolhe em comprimento, o que pega de surpresa a oficina que usina um bloco de molde longo até o tamanho final antes do tratamento térmico.

O caminho seguro é deixar sobremetal e usinar o acabamento após a têmpera. Quando isso não é possível, um grau de endurecimento ao ar é o mais próximo de uma garantia, já que D2 e seus similares transformam-se lentamente e apresentam a menor variação dimensional das quatro famílias. O material a remover da barra como fornecida antes do início da usinagem está definido no Tabela de sobremetal para usinagem.

Quatro etapas reduzem o movimento antes que ele comece. O alívio de tensões da peça após a usinagem de desbaste libera as tensões deixadas pelo corte, para que a têmpera não as perturbe primeiro. O pré-aquecimento em uma ou duas etapas mantém pequena a diferença de temperatura entre seções finas e espessas. Carregar o forno de modo que a peça possa ser suspensa verticalmente elimina o empenamento causado pelo próprio peso na temperatura. A permanência completa na temperatura de austenitização uniformiza a transformação em toda a seção, como o gráfico de solução de problemas de tratamento térmico.

Quando uma dimensão precisa ser mantida com rigor, um tratamento subzero ou criogênica completa a transformação que o resfriamento à temperatura ambiente deixa inacabada, e a peça para de se mover depois. A ordem importa. A peça é temperada, revenida uma vez para aliviar tensões, mantida abaixo de zero, retornada lentamente à temperatura ambiente e revenida novamente. Um congelamento profundo a menos 120 °F é mantido por 120 minutos por polegada de espessura; o resfriamento criogênico controlado vai a cerca de menos 320 °F; e um novo revenimento segue cada ciclo de congelamento profundo. Um ciclo como esse é decisão do tratador térmico, não do chão de fábrica, e as etapas que um ciclo de aço-ferramenta deve incluir estão listadas no guia de tratamento térmico.

Usinar uma ferramenta até o tamanho final antes da têmpera economiza tempo de retífica até o ponto em que a peça volta com sobremetal, abaixo da medida ou fora de planicidade, e então custa um segundo tratamento térmico e uma refabricação. Para moldes que mantêm uma tolerância, a sobremetal é o hábito mais barato. O erro mais comum, e as verificações que o evitam, estão descritos no Erros no tratamento térmico D2.

O tamanho é medido na peça fria e totalmente revenida, nunca logo após a têmpera. Uma peça que apresenta sobremetal antes do revenimento voltará a se mover nos ciclos de revenimento e em qualquer etapa subzero posterior, portanto verifique as dimensões ao final de todo o ciclo e confira a dureza na mesma face, usando Métodos de teste de dureza Quando um arquivo não é suficiente.

Tempere duas vezes antes de medir.

Os aços de têmpera ao ar são temperados duas ou três vezes porque cada ciclo converte mais austenita retida e altera ligeiramente as dimensões. Uma peça medida após uma única têmpera não manterá as dimensões indicadas. As faixas de têmpera e a dureza produzida por cada uma delas estão descritas em... tabela de têmpera.

O endurecimento ao ar apresenta melhor estabilidade.

A diferença entre mais ou menos 0,0005 pol. por polegada para D2 e 0,0015 pol. por polegada para um aço de têmpera em óleo representa a diferença entre uma única passada de acabamento e um bloco descartado. Quando uma matriz é retificada após a têmpera, priorize a opção mais adequada. notas de trabalho a frio que se transformam no ar.

D2 é o caso de referência.

O D2 é o grau mais frequentemente usinado próximo ao tamanho antes da têmpera, e o que tem a menor margem de erro quando a oficina presume que não há movimento. O Guia de tratamento térmico D2 inclui a sequência de têmpera, incluindo o pré-aquecimento e os ciclos de revenimento que estabilizam o tamanho.

Guarde o registro do tratamento térmico.

Os valores de crescimento acima são uma média de uma família de graus, e a peça à sua frente é um único vazamento de aço com um único registro de tratamento térmico. Anote o que o forno fez e mantenha o certificado de usina junto, para que a próxima peça do mesmo grau seja dimensionada a partir de dados, e não de memória.

Páginas de referência relacionadas

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Fontes: Tool and Die Making Troubleshooter (RM Leed, Hanser Gardner), Tabelas 8-9 e as seções sobre distorção e tratamento subzero, com base em dados de distorção da Bethlehem Steel; ASM Handbook, Volume 11, Falhas Relacionadas a Operações de Tratamento Térmico, Tabela 2. Dados de referência apenas para comparação. O movimento real depende do projeto da peça, massa, geometria, classe e prática de têmpera. Confirme a tolerância com o responsável pelo tratamento térmico antes que a peça seja usinada para as dimensões desejadas.