Tratamento térmico a vácuo de aço ferramenta, parâmetros de processo e cronogramas por grau
Um forno a vácuo tempera o aço ferramenta sem a atmosfera que o oxida ou descarboneta, e o próprio nível de vácuo torna-se uma variável de processo, porque os elementos de liga em um grau de alto cromo evaporarão se a pressão for mantida muito baixa enquanto a peça estiver na temperatura. As tabelas abaixo estabelecem o nível de vácuo em relação à temperatura de aquecimento, fornecem os fatores usados para calcular o patamar a partir da espessura da seção, comparam os gases de resfriamento e listam os ciclos de vácuo publicados para treze graus de aço ferramenta e para moldes, desde os aços ferramenta ao carbono e de baixa liga até os graus de alta velocidade.
Apenas para referência. Os valores abaixo são um resumo de referência da prática publicada em manuais chineses, não uma especificação da Aobo Steel. Confirme o ciclo com o certificado do fabricante e com o desenho aplicável antes de definir um pedido ou uma corrida de produção com base neles.
O que o ciclo a vácuo faz pelas ferramentas
A câmara do forno é mantida abaixo de uma atmosfera, de modo que o único gás restante ao redor de uma peça quente é um traço de monóxido de carbono e hidrogênio, ambos redutores e não oxidantes. A peça, portanto, sai com sua superfície original, e qualquer óxido já presente nela é reduzido em vez de crescer. Em uma matriz que foi retificada de acabamento antes da têmpera, isso elimina a etapa de limpeza que se segue a um banho de sal ou a um forno a céu aberto.
Dois outros efeitos importam nas ferramentas. O primeiro é a distorção. O aquecimento por radiação é uniforme em toda a carga, e um resfriamento a gás pressurizado pode direcionar o gás contra a peça por todos os lados, de modo que um ciclo a vácuo é citado como produzindo cerca de setenta por cento menos distorção do que um banho de sal na mesma peça. O segundo é a desgaseificação, em que o hidrogênio e outros gases dissolvidos deixam o aço na temperatura, o que é adequado para blocos de matriz grandes e peças que foram forjadas ou soldadas.
O custo do processo é que a peça exige um aquecimento mais longo. A radiação aquece uma carga mais lentamente do que uma atmosfera circulante em baixa temperatura, de modo que um patamar a vácuo dura mais do que o patamar em um banho de sal ou em um forno a ar para a mesma seção, e esta é a razão pela qual os fatores de patamar na tabela mais abaixo são lidos por si mesmos em vez de serem retirados de um gráfico geral. Peças temperadas em óleo também saem com uma leve camada superficial de austenita residual que uma temperatura de revenimento normal não removerá, e um grau de alta liga ou de alta velocidade temperado em óleo precisa do revenimento mais alto para eliminá-la.
Forno e gás de resfriamento
Três tipos de forno cobrem o ciclo. Um forno de recozimento a vácuo mantém alto vácuo e usa um resfriamento lento controlado. Um forno de têmpera a vácuo é uma câmara de resfriamento a gás ou a óleo, e a câmara de gás é geralmente preferida em ferramentas porque a superfície permanece limpa, a distorção é menor e a câmara não precisa da linha de limpeza de óleo. Um forno de revenimento a vácuo segue o resfriamento, porque o revenimento em um forno comum após um resfriamento a vácuo traz de volta a superfície ruim, a dureza irregular e o revenimento insuficiente que o ciclo a vácuo foi escolhido para evitar, e ele precisa de um recurso de resfriamento rápido para que um grau sensível à fragilização por revenimento não permaneça na faixa de fragilização.
O gás na câmara decide a rapidez com que o resfriamento ocorre. Os quatro gases comuns são classificados abaixo em relação ao hidrogênio, que transfere calor mais rapidamente, mas é evitado porque uma fração volumétrica de hidrogênio acima de cinco por cento no ar é um risco de explosão e o gás custa cerca de dez vezes mais que o nitrogênio. O nitrogênio é o que a maioria dos fornos a vácuo chineses usa, e o resfriamento é realizado tanto em pressão positiva quanto sob vácuo.
| Gás de resfriamento | Tempo de resfriamento relativo |
|---|---|
| Hidrogênio (H2) | 1.0 |
| Hélio (He) | 1.2 |
| Nitrogênio (N2) | 1.5 |
| Argônio (Ar) | 1.75 |
Fonte, seção 8.2.6, página impressa 477. Tempo de resfriamento relativo ao hidrogênio, tomado como 1. O manual observa que uma mistura de 60 a 70 por cento em volume de hélio com 30 a 40 por cento em volume de nitrogênio é considerada no exterior o melhor compromisso.
Um resfriamento a gás de alta pressão a 0,5 a 0,6 MPa tempera totalmente uma peça de 80 a 110 mm, o que cobre a maioria dos blocos de matriz. O resfriamento em pressão positiva com nitrogênio de alta pureza a 0,2 a 0,6 MPa é usado para aço de alta velocidade, e o resfriamento em pressão negativa com nitrogênio de alta pureza a 7,9 vezes dez elevado à quarta a 9,3 vezes dez elevado à quarta pascals é a opção mais branda. Onde o resfriamento a gás não é rápido o suficiente e a peça tem que ir para o óleo, a nota na fonte é usar primeiro um resfriamento a gás e terminar em óleo, para que a camada branca que o óleo sozinho deixaria em uma peça de alto cromo ou de alta velocidade não se forme.
Nível de vácuo em relação à temperatura de aquecimento
O nível de vácuo é definido pela temperatura, não pelo forno, porque um grau de alto cromo mantido a baixa pressão na temperatura perderá cromo da superfície. Uma peça é carregada fria e a câmara é bombeada até 6,67 pascals antes de o aquecimento ser ligado, e acima disso o nível é deixado subir com a temperatura da carga. O reenchimento com nitrogênio de alta pureza é a maneira usual de manter o nível dentro da janela.
| Temperatura de aquecimento, °C | Nível de vácuo, Pa |
|---|---|
| Até 900 | ≥ 0,133 |
| Acima de 900 até 1100 | 13,3 a 1,33 |
| Acima de 1100 até 1300 | 13,3 a 666,0 |
Fonte, Tabela 8-17, página impressa 476. O nível é deixado subir à medida que a temperatura da carga aumenta, para conter a evaporação dos elementos de liga.
O pré-aquecimento segue a mesma lógica de grau. Um ciclo que aquece a 1000 a 1100 graus Celsius usa um pré-aquecimento a 800 graus Celsius. Acima de 1200 graus Celsius, uma peça pequena e simples é pré-aquecida uma vez a 850 graus Celsius, e uma peça maior ou mais complexa duas vezes, a primeira a 500 a 600 graus Celsius e a segunda a cerca de 850 graus Celsius.
Tempo de patamar a partir da espessura da seção
O patamar a vácuo é calculado a partir da espessura efetiva da peça em vez de ser lido em um gráfico, porque a taxa de aquecimento depende da carga e da seção em conjunto. A forma é um coeficiente aplicado à espessura mais uma tolerância de tempo, e ambos os números mudam com o teor de liga do grau, já que um aço ferramenta de alta liga mantém seu caminho de calor através dos carbonetos em vez de através da matriz.
| Steel group | Coeficiente de patamar K, min/mm | Tolerância de tempo T, min | Pré-aquecimento indicado |
|---|---|---|---|
| Aço ferramenta ao carbono | 1.9 | 5 a 10 | Um pré-aquecimento a 560 °C |
| Aço ferramenta de baixa liga | 2.0 | 10 a 20 | Um pré-aquecimento a 560 °C |
| Aço ferramenta de alta liga | 0.48 | 20 a 40 | Pré-aquecer a 560 °C e novamente a 800 °C |
| Aço rápido para ferramentas | 0.33 | 15 a 25 | Pré-aquecer a 560 °C e novamente a 850 °C |
Fonte, Tabela 8-18, página impressa 477. Tempo de encharque C = K D + T, onde C é o encharque em minutos, K o coeficiente acima, D a espessura efetiva da peça em milímetros e T a tolerância em minutos. As tabelas preparadas diferem de um gráfico geral de encharque e o substituem para um ciclo a vácuo.
A mesma fonte estabelece o encharque de têmpera a vácuo em cinco a seis vezes o encharque em banho de sal e duas vezes o encharque em forno de ar na mesma peça. Um revenimento a vácuo dura um pouco mais que um revenimento em forno de ar e uma a duas vezes mais que um revenimento em sal de nitre, e um recozimento a vácuo dura cerca de duas vezes mais que um recozimento em forno de ar.
Cronogramas de tratamento térmico a vácuo por grau
A tabela de cronogramas abaixo é o ciclo publicado para treze graus de aço para moldes e ferramentas. A coluna de pré-aquecimento combina um pré-aquecimento de duas etapas em uma única célula onde a fonte fornece um, e os dois valores em uma célula são o primeiro e o segundo pré-aquecimento. O nível de vácuo de têmpera cai de 0,1 pascal nos graus de baixa liga para 10 a 1 pascals nos graus que vão para óleo ou para uma têmpera a gás pressurizado, porque a pressão na peça tem que ser alta o suficiente para transferir calor assim que a têmpera começa. Onde um grau possui duas linhas de revenimento, a segunda é o revenimento de endurecimento secundário usado para graus de alta velocidade e alto cromo.
| Grau | Pré-aquecimento, °C | Vácuo de pré-aquecimento, Pa | Austenitização, °C | Vácuo de têmpera, Pa | Resfriamento | Revenimento, °C | Dureza, HRC |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 9SiCr | 500 a 600 | 0.1 | 850 a 870 | 0.1 | Óleo, acima de 40 °C | 170 a 190 | 61 a 63 |
| CrWMn | 500 a 600 | 0.1 | 820 a 840 | 0.1 | Óleo, acima de 40 °C | 170 a 185 | 62 a 63 |
| 9Mn2V | 500 a 600 | 0.1 | 780 a 820 | 0.1 | Óleo | 180 a 200 | 60 a 62 |
| 5CrNiMo | 500 a 600 | 0.1 | 840 a 860 | 0.1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 480 a 500 | 39 a 44 |
| Cr6WV | 500 a 550, depois 800 a 850 | 0.1 | 970 a 1000 | 10 a 1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 160 a 200 | 60 a 62 |
| 3Cr2W8V | 480 a 520, depois 800 a 850 | 0.1 | 1050 a 1100 | 10 a 1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 560 a 580, 600 a 640 | 42 a 47, 39 a 44 |
| 4Cr5W2VSi | 480 a 520, depois 800 a 850 | 0.1 | 1050 a 1100 | 10 a 1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 600 a 650 | 38 a 44 |
| 7CrSiMnMoV | 500 a 600 | 0.1 | 880 a 900 | 0.1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 450, 200 | 52 a 54, 60 a 62 |
| 4Cr5MoSiV1 | 500 a 550, depois 800 a 820 | 0.1 | 1020 a 1050 | 10 a 1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 560 a 620 | 45 a 50 |
| Cr12 | 500 a 550 | 0.1 | 960 a 980 | 10 a 1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 180 a 240 | 60 a 64 |
| Cr12MoV | 500 a 550, depois 800 a 850 | 0.1 | 980 a 1050, 1080 a 1120 | 10 a 1 | Óleo ou N de alta pureza2 | 180 a 240, 500 a 540 | 60 a 64, 58 a 60 |
| W6Mo5Cr4V2 | 500 a 600, depois 800 a 850 | 0.1 | 1100 a 1150, 1150 a 1250 | 10 | Óleo ou N de alta pureza2 | 200 a 300, 540 a 600 | 58 a 62, 62 a 66 |
| W18Cr4V | 500 a 600, depois 800 a 850 | 0.1 | 1000 a 1100, 1240 a 1300 | 10 | Óleo ou N de alta pureza2 | 180 a 220, 540 a 600 | 58 a 62, 62 a 66 |
Fonte, Tabela 8-19, página impressa 478. Lida a partir da imagem da página a 300 dpi. Uma célula com dois valores contém o primeiro e o segundo pré-aquecimento, ou as duas temperaturas de austenitização, ou as duas temperaturas de revenimento, na ordem em que a fonte as apresenta. Níveis de vácuo abaixo de 1 Pa são uma pressão manométrica dentro da câmara, e 10 a 1 Pa é o nível de trabalho usado assim que a têmpera começa.
Lendo os ciclos em conjunto
Três padrões percorrem a tabela. O nível de vácuo durante a têmpera segue o meio de resfriamento, não o grau, de modo que todo grau que pode ir para óleo ou para nitrogênio de alta pureza é operado a 10 a 1 pascals, enquanto os graus temperados apenas em óleo mantêm 0,1 pascals. A contagem de pré-aquecimentos segue a temperatura de austenitização. Um grau operado a 900 graus Celsius e abaixo leva um pré-aquecimento, e tudo operado acima de 1000 graus Celsius leva dois, um na faixa baixa para uniformizar o bloco e um logo abaixo da faixa de austenitização para manter a seção coesa.
As linhas de revenimento separam as duas famílias de aço ferramenta. Os graus de trabalho a frio e de molde são revenidos uma vez para dureza, e os graus que contêm tungstênio ou um teor elevado de cromo levam um segundo revenimento na faixa de 500 a 640 graus Celsius que produz o pico de endurecimento secundário. Os dois graus de aço rápido são o caso mais claro, em que o primeiro revenimento a 180 a 300 graus Celsius é um alívio de tensões e não um revenimento de dureza, e o segundo a 540 a 600 graus Celsius é o que define a dureza final.
Um ciclo a vácuo não é a resposta para todo grau. Onde a têmpera a gás não consegue atingir a dureza que a seção necessita, é melhor transferir a peça para um grau projetado para uma têmpera mais lenta, como D2 ou H13, do que forçá-la em óleo e arriscar trincas. Onde o mesmo ciclo é desejado em uma seção menor, os graus de têmpera em óleo, como O1 e W1 atingem sua dureza em um banho cuja velocidade uma câmara de vácuo não consegue igualar.
Dados de referência relacionados
O lado do forno e do banho da mesma decisão, incluindo as misturas de sais e suas faixas de trabalho, está na página de fornos de têmpera e banho de sal. Os tempos de encharque para um ciclo convencional em atmosfera estão na Tabela de Tempo de Permanência para Aço Ferramenta, e os ciclos completos de têmpera e revenimento por grau estão na guia de tratamento térmico de aço ferramenta. Onde um ciclo a vácuo é seguido por uma manutenção sub zero, os meios e as temperaturas estão na página de tratamento criogênico de aço ferramenta.
Notas sobre os dados
A tabela de ciclos é o ciclo de referência publicado de um manual chinês de aço para moldes e ferramentas, e os números de página são os números de página impressos desse manual, e não os números de amostra deste site. Os nomes dos graus são as designações chinesas GB, portanto 4Cr5MoSiV1 é a família H13, Cr12MoV é a família D2 e W6Mo5Cr4V2 é a família M2, e os equivalentes são apresentados nas páginas dos graus, e não presumidos aqui. Os níveis de vácuo são leituras manométricas da câmara, e a própria curva de bombeamento e taxa de vazamento de um forno alterarão o valor prático. Os coeficientes de encharque estão emparelhados com a prática de pré-aquecimento de um fabricante, de modo que um operador que use uma contagem de pré-aquecimentos diferente deve tomar o coeficiente e deixar a tolerância.
Compilado de um manual chinês de tratamento térmico de aço para moldes e ferramentas, seção 8.2.6 e Tabelas 8-17 a 8-19, páginas impressas 476 a 478. A Tabela 8-19 foi lida a partir da imagem da página a 300 dpi e o restante da camada de texto da mesma impressão. As tabelas são um resumo de referência da prática publicada, e não uma especificação da Aobo Steel, portanto confirme o ciclo com o certificado do laminador e o desenho aplicável antes de fazer um pedido com base nelas.