Endurecimento Superficial de Aços Ferramenta e para Matrizes: Chama, Indução, Feixe de Elétrons e Laser

Quatro processos que endurecem uma superfície sem alterar sua química

Endurecimento superficial nesse sentido é um tratamento térmico localizado. A superfície é austenitizada e temperada, nenhum elemento é difundido para dentro, e o resultado é martensita dura sobre um núcleo de estrutura mais macia. Os quatro processos em uso comercial são endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser. Chama e indução são os dois que existem há mais tempo e são os dois que a fonte compara diretamente; feixe de elétrons e laser são os dois que endurecem um ponto escolhido sem qualquer meio de têmpera.

Endurecimento por chama e endurecimento por indução comparados. Profundidade, velocidade, tamanho da peça e custo são reproduzidos da tabela de comparação na fonte. O endurecimento por chama atinge maior profundidade, a indução é mais rápida e mais precisa, e os dois são usados nos mesmos aços.

Duas características da tabela decidem a maioria dos trabalhos. O endurecimento por chama atinge 1,2 a 6,2 mm de profundidade e não tem limite de tamanho de peça, razão pela qual é usado em peças grandes como cilindros, guias e as bordas de grandes blocos de matriz. O endurecimento por indução atinge 0,4 a 1,5 mm, ou 0,1 mm com aquecimento por impulso, e a peça precisa caber dentro da bobina, razão pela qual se adequa a peças de produção de tamanho moderado. A indução é a mais precisa das duas e exige muito menos habilidade do operador uma vez feita a configuração, mas o equipamento custa mais.

No endurecimento por indução a profundidade aumenta à medida que a frequência da corrente alternada cai, e a resistividade elétrica e as propriedades magnéticas do aço alteram o comportamento de aquecimento, de modo que aços diferentes precisam de parâmetros de aquecimento diferentes. Esse é um ponto prático quando uma peça passa de um aço carbono para um aço ferramenta: a mesma bobina e a mesma frequência não são automaticamente o mesmo resultado.

Feixe de elétrons e laser: autotêmpera, sem meio de têmpera

O endurecimento por feixe de elétrons e laser aquece uma área selecionada muito rapidamente e deixa a massa da peça conduzir o calor para fora. A peça é sua própria têmpera, então não há óleo, água ou polímero para gerenciar, a peça praticamente não se move, e o material ao redor permanece intacto. Como o aquecimento é tão rápido, o teor de carbono e de liga precisa estar em uma forma que se dissolva rapidamente na austenita, e a peça precisa ser espessa o suficiente para conduzir o calor para fora.

A fonte apresenta três condições para o endurecimento por feixe de elétrons que vale a pena verificar antes de orçar um trabalho. A espessura da peça deve ser de pelo menos dez vezes a profundidade de endurecimento. As áreas endurecidas devem ser espaçadas de modo que o feixe não revenha uma área endurecida anteriormente. E a superfície a ser endurecida deve estar na linha de visão do feixe, seja em vácuo alto de 10-5 torr ou em vácuo parcial protegido de 10-2 torr.

O endurecimento por laser funciona pelo mesmo princípio e atinge profundidades de camada de 0,75 a 1,3 mm (0,030 a 0,050 in.) dependendo da potência, com dureza de até 60 HRC. Não precisa de vácuo, pode ser moldado em perfis de endurecimento mais largos que um feixe de elétrons, e o feixe pode ser direcionado por óptica para áreas de difícil acesso. Sua principal desvantagem é óptica: a superfície muitas vezes precisa ser tratada primeiro para que não reflita o feixe.

Para quais aços ferramenta esses processos são liberados

A lista de materiais é a mesma para endurecimento por chama, indução e feixe de elétrons. A fonte nomeia aços carbono comuns de 1045 a 1080, aços liga de médio a alto carbono como 4140, 4340, 8645 e 52100, ferros fundidos de matriz perlítica, e estes aços ferramenta: W1, W2, O1, O2, L2, L6, S1 e S2. Todos os oito são graus cujo teor de carbono e de liga já é alto o suficiente para endurecer com o calor do feixe ou do maçarico sem qualquer adição adicional.

O endurecimento por laser é descrito como produzindo profundidades de endurecimento e restrições de material semelhantes às do endurecimento por feixe de elétrons, mas com uma diferença que importa para os graus de liga mais baixa: a fina zona superficial é aquecida e resfriada tão rapidamente que produz uma estrutura martensítica muito fina mesmo em aços de temperabilidade relativamente baixa. Esse é o processo a considerar quando o grau é adequado para a ferramenta mas marginal para uma têmpera convencional.

Quanto carbono a superfície precisa

Como o endurecimento superficial não adiciona carbono, o teor de carbono do grau estabelece o teto da dureza que a superfície pode atingir. A fonte traça isso para aquecimento por chama e indução seguido de têmpera em água: a dureza superficial mínima atingível sobe acentuadamente de cerca de 39 HRC a 0,20% C para aproximadamente 50 HRC a 0,30% C e 60 HRC perto de 0,45% C, e então se achata, atingindo apenas cerca de 62 HRC a 0,60% C. A leitura prática é que um grau de aço carbono comum ou de baixa liga precisa da ordem de 0,40 a 0,50% C antes que uma superfície de 60 HRC seja realista, e que abaixo de cerca de 0,30% C o processo não consegue atingir 50 HRC independentemente de como a têmpera é feita.

Essa regra explica a forma da tabela abaixo. Todo grau com uma superfície endurecida realista na faixa de 60 HRC é ou um aço de médio a alto carbono ou um grau cementado cuja camada foi levada a 0,90 a 1,10% C. Os graus de trabalho a quente com 5% de cromo e os aços ferramenta de liga mais alta ficam bem acima desse nível de carbono, razão pela qual um maçarico ou uma bobina podem endurecê-los, e por que sua profundidade endurecida é decidida pela temperabilidade do grau e não apenas pelo equipamento de aquecimento.

Dureza típica após têmpera por chama, por grau e meio de resfriamento

A tabela abaixo é a resposta à têmpera por chama dos aços e ferros que a fonte abrange. Vale a pena lê-la em duas direções. Ao longo de uma linha, as três colunas mostram quanto o meio de resfriamento acrescenta: para o 52100, ar e óleo dão ambos 55 a 60 HRC e a água eleva a superfície a 62 a 64 HRC. Ao longo de uma coluna, mostra o que o teor de carbono proporciona, desde a faixa de 33 a 50 HRC de um aço 1025 a 1035 temperado em água até os 62 a 65 HRC de um aço 1080 a 1095 no mesmo meio de resfriamento.

Para o trabalho com aço ferramenta, as linhas a observar são as quatro últimas graus inoxidáveis e o 52100. O tipo 420 atinge 49 a 56 HRC e o tipo 440 (típico) 55 a 59 HRC tanto em ar quanto em óleo, e a fonte não fornece nenhum valor de têmpera em água para os graus inoxidáveis martensíticos, o que é consistente com a nota de rodapé de que seções finas desses aços são suscetíveis a trincas quando temperadas em óleo ou água. A têmpera por indução usa a mesma lista de graus e a mesma resposta que a têmpera por chama, com as profundidades menores da tabela de comparação acima.

Resposta de aços e ferros fundidos à têmpera por chama, por meio de resfriamento, reproduzida da tabela da fonte. (a) Para obter a dureza mostrada, as áreas não aquecidas diretamente devem ser mantidas relativamente frias durante o aquecimento. (b) Seções finas são suscetíveis a trincas quando temperadas com óleo ou água. (c) A dureza é ligeiramente menor para material aquecido por métodos rotativos ou progressivo-rotativos combinados do que para aquecimento progressivo ou estacionário. (d) Valores de dureza de camadas cementadas contendo 0,90 a 1,10% C. A têmpera por indução usa os mesmos aços e a mesma resposta.

Onde cada processo se encaixa em um pedido de aço ferramenta

A escolha geralmente se resume a três perguntas em vez de quatro. Qual a profundidade que a zona endurecida precisa ter, porque apenas a têmpera por chama ultrapassa 2 mm e apenas a indução e os processos por feixe ficam abaixo de 1,5 mm. Qual o tamanho da peça, porque um bloco de matriz que não cabe em uma bobina é um trabalho de têmpera por chama por padrão. E quanta distorção a ferramenta acabada pode absorver, porque todos os quatro processos temperam a superfície e a etapa de revenimento que se segue faz parte do ciclo, não é opcional.

A prática de tratamento térmico que envolve o processo está em o guia de tratamento térmico de aço ferramenta, e a severidade de resfriamento dos meios envolvidos é comparada em a página de taxas de resfriamento dos meios de têmpera. Onde a superfície é modificada com um elemento difundido em vez de apenas calor, a escolha entre cementação, nitretação e os revestimentos por difusão em caixa está em a página de comparação de processos de endurecimento superficial, e o lado de erosão e abrasão do desempenho superficial está em a página de projeto de desgaste.

Fonte: ASM Handbook, Volume 20, Materials Selection and Design, ASM International, 1997. Endurecimento superficial e resposta à têmpera por chama do artigo sobre os efeitos dos tratamentos superficiais no desempenho dos materiais (Tabelas 17 e 18, e Fig. 14).