Aço-ferramenta P/M | Tamanho de carboneto | Desgaste e tenacidade

Propriedades do aço-ferramenta P/M, tamanho de carboneto, desgaste e tenacidade

O aço-ferramenta de metalurgia do pó é comprado por um motivo. Os carbonetos nele são pequenos e distribuídos uniformemente, em vez de grosseiros e em bandas. Todo o resto sobre o grau decorre disso, e os gráficos desta página medem isso. O carboneto primário mediano no CPM T15 é 1,3 µm contra 6,2 µm no aço convencional do mesmo grau, e o ensaio de desgaste que decorre disso coloca um grau P/M ao vanádio uma ordem de magnitude à frente de D2. Esta página reúne a distribuição do tamanho de carboneto, as microestruturas, os dados de desgaste de cilindros cruzados, os dados de impacto Charpy e as razões de retificação para os aços-ferramenta P/M e seus equivalentes convencionais.

O que a rota do pó muda

Um aço-ferramenta convencional é fundido e vazado, então os carbonetos se formam durante a solidificação e o último líquido a solidificar é rico em carbono e liga. Isso produz bandas de carboneto e produz uma população de carbonetos com uma cauda longa de partículas grandes. Na rota P/M, o banho é atomizado a gás em pó, cada partícula solidifica por conta própria, e o pó é então consolidado por prensagem isostática a quente, extrusão ou forjamento. A segregação de carboneto só pode acontecer dentro de uma partícula de algumas dezenas de microns, então após a consolidação a estrutura é uniforme na escala da peça em vez da escala do lingote.

A medição que diz tudo isso em uma linha é a distribuição do tamanho de carboneto primário abaixo. A curva do CPM T15 é um pico estreito, mediana 1,3 µm e média 1,4 µm. A curva do T15 convencional atinge o pico mais tarde e arrasta uma cauda até um máximo de 34 µm. Um carboneto de 34 µm é um sítio de iniciação de trinca na aresta de uma ferramenta, e é a partícula que lasca primeiro.

Primary carbide size distribution curves for CPM T15 and conventional T15 high speed steel — Fig. 3. Distribuição do tamanho dos carbonetos primários no aço rápido CPM T15 e no T15 convencional (fonte 1846). A curva do CPM é um pico estreito, mediana 1,3 µm e média 1,4 µm. A curva do convencional atinge o pico mais tarde e arrasta uma cauda até um máximo de 34 µm, mediana 6,2 µm e média 9,5 µm. Redesenhado a partir da figura da fonte, com ambas as curvas digitalizadas do gráfico publicado.

A estrutura que acompanha isso

As micrografias abaixo são os mesmos dois graus na mesma ampliação. No CPM T15 os carbonetos são um campo fino e uniforme; no T15 convencional são grosseiros e dispostos em bandas, que é a estrutura deixada pela segregação. A terceira figura faz a mesma comparação em um aço para matriz em vez de uma ferramenta de corte, e separa as duas rotas convencionais da rota do pó. O H13 convencional padrão é grosseiro e fortemente bandado; o H13 convencional de qualidade premium, que é feito com limites de segregação mais apertados, é mais fino mas ainda bandado; o H13 P/M é uniforme, sem bandas. O grau para trabalho a quente é onde a diferença aparece como resistência à fadiga térmica em vez de lascamento de aresta, porque a trinca que começa em uma banda de carboneto avança um pouco a cada ciclo.

Micrograph comparison of CPM T15 and conventional T15 high speed steel — Fig. 4. Microestruturas de aço rápido para ferramentas (fonte 1846). Esquerda, CPM T15; direita, T15 convencional. Os carbonetos no aço convencional são grosseiros e bandeados, que é o que a rota do pó remove; os dois painéis estão na mesma ampliação. Reproduzido da figura da fonte (cortesia da Crucible Materials Corporation).

Longitudinal microstructure of standard conventional H13, premium quality conventional H13 and P/M H13 die steel — Fig. 24. Microestrutura longitudinal do H13 (fonte 1863), ataque de Vilella’s, 50×. (a) H13 convencional padrão, grosseiro e fortemente bandeado. (b) H13 convencional de qualidade premium, mais fino mas ainda bandeado. (c) H13 P/M, uma população de carbonetos uniforme sem bandeamento. Reproduzido da figura da fonte.

Resistência ao desgaste no ensaio de cilindros cruzados

O ensaio de desgaste de cilindros cruzados pressiona dois cilindros um contra o outro sob carga e mede o volume perdido, e é o ensaio que a indústria de aço-ferramenta cita para desgaste abrasivo. Leia os dois gráficos juntos. Os graus convencionais ficam na base da escala, H21 em 15, H19 em 25 e D2 em 30 no primeiro gráfico, e D2 cerca de 15, O7 cerca de 25, A7 e M2 cerca de 30 no segundo. Os graus P/M se separam deles por uma ordem de magnitude, e a separação cresce com o teor de vanádio, CPM M4 em 150, CPM 9V em 150 e 270 em dois níveis de dureza, CPM T15 cerca de 400, e CPM 10V 515 em 60 HRC no primeiro gráfico e cerca de 520 e 640 no segundo. O CPM 10V é o grau para trabalho a frio de alto vanádio, e este ensaio é a razão pela qual ele é especificado para estampagem de longa produção e para peças de desgaste que antes eram feitas em metal duro.

Crossed cylinder wear test results for CPM 9V, CPM M4, CPM 10V, H21, H19 and D2 tool steel — Fig. 19. Resultados do ensaio de desgaste de cilindros cruzados para o CPM 9V e outros aços para ferramentas P/M e convencionais na dureza indicada (fonte 1859). A fonte imprime os valores nas barras. H21 15 (57 HRC), H19 25 (56 HRC), D2 30 (62 HRC), CPM M4 150 (64 HRC), CPM 9V 150 (48 HRC), CPM 9V 270 (53 HRC), CPM 10V 515 (60 HRC), nas unidades que a fonte usa (10⁷ MPa, com uma escala de 10¹⁰ psi à direita do original). Redesenhado a partir da figura da fonte, com os valores impressos retirados do gráfico.

Crossed cylinder wear test results for CPM 10V, CPM M4, CPM T15, D2, O7, A7 and M2 tool steel — Fig. 20. Resultados do ensaio de desgaste de cilindros cruzados para o CPM 10V e outros aços para ferramentas P/M e convencionais na dureza indicada (fonte 1860). A fonte não imprime nenhum valor nestas barras, portanto as leituras abaixo são retiradas do eixo e marcadas como aproximadas. D2 cerca de 15 (62 HRC), O7 cerca de 25 (61 HRC), A7 cerca de 30 (61 HRC), M2 cerca de 30 (64 HRC), CPM M4 cerca de 150 (64 HRC), CPM T15 cerca de 400 (67 HRC), CPM 10V cerca de 520 (60 HRC) e cerca de 640 (63 HRC). Redesenhado a partir da figura da fonte, com os valores lidos do gráfico publicado (escala logarítmica).

Tenacidade ao impacto nos mesmos graus

Carbonetos finos ajudam a tenacidade assim como a resistência ao desgaste, porque a partícula grosseira é o que inicia a trinca. Nos dados de Charpy entalhe C abaixo, o CPM M4 atinge 46 J em 64 HRC enquanto o M4 convencional está em 16 J em 63 HRC, e o CPM 10V fica em 39 J em 60 HRC. A exceção vale a pena ler com atenção. O mesmo CPM 10V levado até 63 HRC retorna 25 J, então a vantagem de tenacidade é trocada pela dureza no grau mais altamente ligado desta página. Essa é a troca normal, e é por isso que os graus P/M são encomendados na dureza que o trabalho precisa em vez da mais dura que o grau pode atingir.

Charpy C notch impact energy for CPM 10V, CPM M4, M4, M2 and D2 tool steel — Fig. 21. Propriedades de impacto Charpy entalhe C do CPM 10V e outros aços para ferramentas P/M e convencionais na dureza indicada (fonte 1860). A fonte imprime os valores nas barras. D2 25 J (62 HRC), M2 24 J (64 HRC), M4 16 J (63 HRC), CPM M4 46 J (64 HRC), CPM 10V 39 J (60 HRC) e CPM 10V 25 J (63 HRC). Redesenhado a partir da figura da fonte, com os valores impressos retirados do gráfico.

Moabilidade

O último gráfico é o que decide o custo da oficina. A razão de retificação é o volume de metal removido dividido pelo volume de rebolo desgastado, então um número mais alto significa que o aço retifica mais facilmente. Todo grau CPM supera seu equivalente convencional, M2S 16,1 contra 5,5, M3S-2 12,0 contra 2,2, M42 5,0 contra 1,8, T15 2,2 contra 0,6. Um aço-ferramenta P/M é mais caro por quilograma e mais barato de acabar, e em uma ferramenta complexa o tempo de retificação costuma ser o maior dos dois números.

Relative grindability bar chart for CPM and conventional high speed tool steels — Fig. 7. Retificabilidade relativa dos aços rápidos para ferramentas CPM e convencionais (fonte 1850). A razão de retificação é o volume de metal removido dividido pelo volume de rebolo desgastado, portanto uma barra mais alta é mais fácil de retificar; a barra escura de cada par é o grau CPM. CPM contra convencional, M2S 16,1 contra 5,5, M2 6,5 contra 3,9, M7 6,7 contra 2,4, M3S-2 12,0 contra 2,2, M42 5,0 contra 1,8, M4 2,7 contra 1,1, T15 2,2 contra 0,6. As três barras CPM isoladas são REX 20 em 3,5, REX 25 em 2,4 e REX 76 em 3,8. Redesenhado a partir da figura da fonte, com os valores impressos retirados do gráfico.

Quando especificar a rota do pó

Os graus P/M justificam seu preço onde o modo de falha está relacionado a carboneto, lascamento de aresta em uma ferramenta de alto vanádio, desgaste bandado em uma matriz de estampagem de longa produção, trincamento por fadiga térmica em uma matriz para trabalho a quente, ou uma geometria de ferramenta que o rebolo precisa alcançar. Eles também são a resposta quando a alternativa é o metal duro, já que um aço para trabalho a frio P/M oferece parte da resistência ao desgaste do metal duro com a tenacidade e a usinabilidade do aço-ferramenta. Para trabalho a frio comum em volume de produção moderado, os convencionais D2 e M2 continuam sendo a escolha de valor, e o desgaste e a tenacidade que eles entregam são a linha de base contra a qual os gráficos acima são medidos. Os graus rápidos P/M e seus equivalentes convencionais são comparados por composição na composição do aço rápido PM página, a tenacidade das famílias de aço-ferramenta está reunida na Tabela de tenacidade ao impacto do aço ferramenta, os dados de ensaio de desgaste abrasivo para os graus convencionais estão na Dados de ensaio de desgaste abrasivo de aço para ferramentas página, a seleção de rebolo que acompanha as razões de retificação está na Retificabilidade do Aço Ferramenta e Seleção de Rebolo página, e a seção que cada grau endurece está na Têmpera e Tamanho de Seção do Aço Ferramenta página.

Fonte: ASM Handbook, Vol 1, Properties and Selection: Irons, Steels and High-Performance Alloys.