Blocos de matriz H13 de grande seção para matrizes de fundição Gigacasting

A fundição em gigacasting mudou a forma como as montadoras abordam o projeto estrutural. Ao fundir toda a parte inferior traseira da carroceria, a porta traseira ou a torre do amortecedor como uma única peça de alumínio, os fabricantes reduzem substancialmente o número de soldas, as etapas de montagem e o peso do veículo. Os moldes que tornam isso possível são uma história à parte. Uma relação peso do molde/peça de aproximadamente 1000 para 1 é típica na fundição sob pressão, o que significa que um único bloco de molde de gigacasting pode pesar várias dezenas de toneladas. O aço ferramenta para trabalho a quente H13 continua sendo a escolha padrão para esses moldes devido à sua dureza a quente, temperabilidade e resistência ao choque térmico, mas a produção e o tratamento térmico de um bloco tão grande introduzem problemas que não aparecem em ferramentas menores.

Por que a dimensão da seção altera o comportamento do aço?

Um bloco de matriz com menos de 100 mm de espessura e outro com mais de 400 mm de espessura apresentam propriedades diferentes após o tratamento térmico, mesmo partindo da mesma composição química H13. A diferença reside na taxa de resfriamento.

O aço H13 apresenta endurecimento profundo e pode ser temperado por resfriamento ao ar em espessuras moderadas. Em blocos com espessura superior a 300 a 500 mm, o núcleo não consegue resfriar com rapidez suficiente. Simulações de seções espessas resfriadas a ar, na faixa de 150 a 300 mm, já demonstram taxas de resfriamento muito lentas para produzir uma estrutura totalmente martensítica, resultando na transformação parcial do núcleo em bainita. A bainita no aço H13 apresenta menor tenacidade à fratura e pior resistência à fadiga térmica do que a martensita revenida, uma desvantagem significativa em uma superfície de matriz que será submetida a milhares de ciclos térmicos ao longo de sua vida útil.

O resfriamento lento no estágio inicial da têmpera cria um segundo problema. Ele permite que carbonetos pró-eutetóides precipitem ao longo dos contornos de grão da austenita prévia antes da transformação da matriz. Essas redes de carbonetos formam caminhos frágeis contínuos ao longo dos contornos de grão, e é aí que as trincas começam sob carga. Um bloco de matriz com essa microestrutura pode passar em um teste de dureza superficial e ainda assim falhar precocemente em serviço, porque a dureza mede a matriz e não diz nada sobre a rede de contornos de grão subjacente.

A microsegregação adiciona uma terceira camada ao problema, e começa antes do tratamento térmico, na etapa de fundição do lingote. Vanádio, molibdênio e cromo segregam-se à medida que um lingote grande solidifica, produzindo carbonetos eutéticos grosseiros, do tipo MC rico em V e do tipo M6C rico em Mo, concentrados no núcleo do lingote. Uma vez formadas, essas redes não podem ser redissolvidas por nenhum tratamento térmico subsequente. O resultado é um bloco com tenacidade direcional e anisotrópica que varia com a direção da carga, o que é difícil de prever e ainda mais difícil de adaptar ao projeto da matriz. Veja mais detalhes em [referência]. Limitações conhecidas do H13 em seções pesadas.

Etapas de processamento que abordam o problema do tamanho da seção

Nenhum dos três problemas acima pode ser corrigido normalmente após o bloco ser fundido e forjado, portanto, a correção precisa começar a montante.

A refusão por eletroescória ou por arco a vácuo é o primeiro requisito para o H13 destinado a um molde de fundição de grande porte. O processo convencional de forno elétrico a arco (EAF) com refino em panela deixa a segregação e as redes de carbonetos descritas acima praticamente intactas em um bloco desse tamanho. ESR O processo VAR, combinado com um longo ciclo de homogeneização em alta temperatura, quebra os filamentos grosseiros de carboneto eutético e reduz a microsegregação o suficiente para atender aos requisitos de tenacidade da norma NADCA Premium Grade. Essa etapa não é opcional para seções grandes, como pode ser para um inserto de molde menor.

O desbaste prévio à têmpera é a segunda alavanca, e atua diretamente contra o problema da taxa de resfriamento. A usinagem da cavidade, dos canais de resfriamento e de outras estruturas profundas antes da têmpera final reduz a espessura efetiva da seção transversal nas superfícies mais importantes, ou seja, a cavidade de trabalho. Uma seção transversal mais fina resfria mais rapidamente durante a têmpera, o que leva a microestrutura na superfície da cavidade a tender para a martensita em vez da bainita, mesmo que o bloco como um todo ainda seja maciço.

O resfriamento rápido precisa equilibrar duas necessidades conflitantes. O bloco deve resfriar rápido o suficiente na faixa de temperatura superior para evitar a precipitação de carbonetos proeutetóides e, em seguida, lentamente o suficiente, frequentemente por meio de um ciclo interrompido ou de têmpera martensítica, para equalizar a temperatura em toda a seção antes de atingir o ponto de início da formação da martensita. Se o resfriamento for muito rápido nessa etapa, o bloco pode empenar ou trincar devido à tensão do gradiente térmico. Se for muito lento anteriormente, as redes de carbonetos se formarão de qualquer maneira.

O revenimento de um bloco desse tamanho nunca é um ciclo único. O H13 é um aço de têmpera secundária, portanto, o primeiro revenimento converte a austenita retida em martensita fresca, e os revenimentos subsequentes estabilizam essa estrutura. curva de têmpera Também é preciso evitar a região de fragilização em torno de 500 °C, que fica próxima ao pico de dureza secundária, mas deixa a resistência ao impacto perigosamente baixa. Para matrizes de fundição de grande porte, o objetivo prático é o revenimento acima desse pico, em uma faixa de trabalho de aproximadamente 44 a 48 HRC, ou 42 a 45 HRC onde a resistência ao choque é mais importante do que a resistência ao desgaste. O valor final deve ser confirmado com base no projeto da matriz e no certificado de teste do moinho, em vez de ser tratado como um número fixo.

O que acontece quando essas etapas são ignoradas?

Os três modos de falha observados no serviço de gigacasting estão diretamente relacionados aos problemas metalúrgicos mencionados acima.

A fissuração por calor, a rede de microfissuras superficiais resultante de ciclos térmicos repetidos contra alumínio a 650 °C, é a falha mais comum e a mais sensível à limpeza de inclusões e carbonetos. Óxidos grosseiros, sulfetos ou carbonetos segregados, discutidos anteriormente, atuam como concentradores de tensão que fornecem um ponto de partida para as fissuras de fissuração por calor.

A fissuração grosseira é a falha mais perigosa porque ocorre sem aviso prévio. Um bloco com tensões residuais de fabricação, um núcleo bainítico ou com excesso de carbonetos, ou pré-aquecimento insuficiente antes dos primeiros disparos, é um candidato à fratura repentina. O pré-aquecimento é importante porque o H13 é consideravelmente mais resistente à temperatura de operação do que à temperatura ambiente, portanto, uma matriz fria começa a trabalhar em seu ponto mais frágil.

Danos por eletroerosão É um risco de processamento, e não um risco do material, mas interage com tudo o que foi mencionado anteriormente. A usinagem de uma cavidade por eletroerosão deixa uma fina camada branca martensítica não revenida sob alta tensão residual de tração. Se deixada no local, essa camada se torna o ponto de partida para fissuras térmicas nas primeiras centenas de ciclos. Retirá-la por retificação ou polimento, ou aplicar um tratamento térmico de alívio de tensões pós-eletroerosão, elimina o risco antes mesmo que a matriz entre em contato com alumínio fundido.

Para um programa de fundição em larga escala, a especificação do bloco de matriz precisa levar tudo isso em consideração antes do pedido do aço, e não depois do surgimento das primeiras trincas. Dimensões da seção transversal, método de refusão, sequência de usinagem de desbaste e o cronograma completo de revenimento devem ser acordados previamente com o fornecedor.

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