Como a soldagem, a conformação e o tratamento térmico afetam o desempenho do aço ferramenta.

Um aço ferramenta que atende às especificações do certificado de fábrica ainda pode falhar em serviço se a soldagem, a conformação ou o tratamento térmico não forem controlados durante a fabricação. Esses três processos remodelam a estrutura interna do aço, e essa estrutura, não o número na ficha técnica, é o que determina se um molde ou matriz realmente suporta a carga. Os compradores que verificam apenas a composição química e a faixa de dureza estão considerando apenas metade da história. A outra metade é como o aço reage após passar pelos processos subsequentes.

A soldagem altera o aço antes mesmo de ele entrar em serviço.

A soldagem une o aço por meio de aquecimento e resfriamento rápidos e localizados, e esse ciclo térmico deixa uma marca tanto no metal de solda quanto na zona termicamente afetada (ZTA) circundante. Para um aço endurecível como H13, O risco se manifesta diretamente na ZTA (Zona Termicamente Afetada). Se essa zona resfriar muito rápido, a estrutura se transforma em martensita, uma fase dura, porém quebradiça, e a junta fica propensa a fissuras antes mesmo de entrar em um ciclo de produção.

A causa principal é a entrada de calor, que é determinada pela tensão, corrente e velocidade de soldagem. Entrada de calor excessiva causa o crescimento de grãos na ZTA (Zona Termicamente Afetada), reduzindo sua resistência e tenacidade. Entrada de calor insuficiente evita esse crescimento de grãos e mantém a zona de solda mais próxima do metal base em termos de resistência, ductilidade e dureza. A entrada de calor não deve ser maximizada ou minimizada instintivamente. Ela precisa ser adequada à classe do metal que está sendo soldado.

A qualidade da solda também depende do que entra na poça de fusão. A contaminação por oxigênio durante a soldagem forma inclusões de óxido, que se comportam como pequenos vazios dentro do metal e reduzem a resistência, a tenacidade e a ductilidade. O gás de proteção, normalmente argônio, existe para impedir a entrada de oxigênio. Se o gás for impuro ou a cobertura for inconsistente, essa proteção falha e a qualidade da solda diminui. Como as soldas solidificam rapidamente, elas também formam estruturas dendríticas e padrões de segregação que resistem ao fluxo plástico, razão pela qual o metal de solda geralmente apresenta uma relação entre limite de escoamento e resistência à tração maior do que o metal base ao qual é unido.

O efeito do calor da soldagem não é o mesmo em todas as condições do aço. Em ligas trabalhadas a frio ou endurecidas por deformação, o calor da soldagem pode desfazer esse endurecimento na ZTA (Zona Termicamente Afetada) por meio da recristalização, deixando essa zona mais macia que o metal base. Em aços endurecidos por precipitação, incluindo muitos aços inoxidáveis martensíticos, as finas partículas de endurecimento que conferem resistência ao aço podem se tornar grosseiras ou até mesmo se dissolver de volta na matriz sob o calor da soldagem, levando consigo o efeito de reforço. Os aços inoxidáveis duplex apresentam riscos específicos: o calor da soldagem e o resfriamento subsequente podem alterar o equilíbrio da proporção austenita/ferrita desejada de 50/50 e favorecer a formação de fases prejudiciais, como carbonetos e nitretos sigma ou de cromo, na ZTA, o que reduz drasticamente a tenacidade à fratura.

Além de tudo isso, a soldagem deixa tensões residuais. Essas tensões tornam a junta mais propensa a fraturas sob impacto e mais vulnerável à fadiga e à corrosão ao longo do tempo, razão pela qual o alívio de tensões é uma prática padrão após a soldagem em aço ferramenta.

Moldando a ductilidade para obter resistência, ou vice-versa.

A conformação remodela o aço através de deformação plástica, e o resultado depende muito se o processo ocorre a frio ou a quente.

A trefilação e a laminação a frio endurecem o aço por deformação, aumentando substancialmente a resistência ao escoamento e a resistência à tração. Em aços de baixo e médio carbono, a resistência ao escoamento pode aumentar de 100 a 300%, com ganhos de dureza de 60 a 150%. A contrapartida é a redução da ductilidade, do alongamento e da tenacidade ao impacto com entalhe, além do acúmulo de tensões residuais localizadas, que podem tornar as propriedades do material dependentes da direção da deformação.

A forjagem a quente e a laminação a quente seguem o caminho oposto. Elas melhoram a trabalhabilidade e preservam a ductilidade sem a fragilização que ocorre com o trabalho a frio, embora a resistência ao escoamento seja inferior à de uma peça equivalente trabalhada a frio. A velocidade de processamento ainda é importante, pois uma taxa de deformação mais alta durante o trabalho a quente aumenta a resistência ao escoamento.

A forjagem a quente também cria direcionalidade no aço por meio do fluxo de grãos. À medida que o metal se deforma, os grãos e as impurezas se esticam e se alinham na direção da deformação, formando o que é frequentemente chamado de estrutura fibrosa. A resistência e a tenacidade são maiores na direção do fluxo e menores transversalmente a ele, o que explica, em parte, por que o aço para ferramentas forjadas é orientado deliberadamente na matriz, em vez de ser deixado ao acaso. Para peças que necessitam de alta resistência à fadiga, às vezes é adicionada uma laminação profunda posteriormente para induzir tensão residual compressiva na superfície, o que prolonga a vida útil sob carregamento cíclico.

A conformabilidade em si depende tanto do material, ou seja, da composição, microestrutura e teor de inclusões, quanto das condições de deformação, ou seja, temperatura, taxa de deformação e estado de tensão. A laminação e o trefilamento também produzem textura, um alinhamento de grãos em uma direção preferencial que torna o aço anisotrópico e aumenta moderadamente a resistência ao longo da direção de processamento em relação à direção transversal.

Algumas classes de aço inoxidável austenítico adicionam um mecanismo extra a isso: plasticidade induzida por transformação, ou TRIP. Sob deformação à temperatura ambiente, como na estampagem, a tensão aplicada desencadeia a transformação da austenita instável em martensita. Essa transformação aumenta a taxa de encruamento e permite que o aço ganhe resistência e conformabilidade simultaneamente, o que é incomum, já que essas duas propriedades normalmente se movem em direções opostas.

O tratamento térmico determina qual será a microestrutura final.

O tratamento térmico é o fator determinante para o sucesso ou fracasso da escolha do comprador, pois o aquecimento e o resfriamento controlados definem a estrutura final.

Têmpera, revenimento, endurecimento e endurecimento por precipitação visam aumentar a resistência, dureza, tenacidade e resistência ao desgaste, principalmente convertendo a estrutura em martensita. Recozimento e normalização atuam na direção oposta, amolecendo o aço e restaurando sua usinabilidade após ter sido endurecido ou encruado por processos anteriores.

O tratamento térmico também influencia a vida útil à fadiga. A austêmpera, por exemplo, converte completamente a estrutura em bainita e é comum em aços para rolamentos com alto teor de carbono, deixando tensões residuais benéficas logo abaixo da superfície que prolongam a vida útil à fadiga sob carregamento repetido.

Para graus de alto teor de carbono como D2 e D3, Um detalhe que diferencia um bom tratamento térmico de um tratamento medíocre é a austenita retida. Durante o resfriamento rápido, uma porção da austenita não se transforma completamente em martensita e permanece na estrutura. Essa austenita retida é macia, reduz a dureza superficial e compromete o desempenho em fadiga por contato de rolamento, que é exatamente o tipo de falha que aplicações em rolamentos e matrizes não podem tolerar. O tratamento térmico controlado reduz a quantidade de austenita retida, e esse é um detalhe que vale a pena questionar diretamente com o fornecedor, em vez de presumir com base na ficha técnica.

O tratamento térmico também controla a precipitação. Quando realizado corretamente, promove as fases de reforço que uma determinada classe de aço deve formar. Quando realizado incorretamente, pode precipitar fases prejudiciais, como carbonetos, nitretos ou fase sigma, que danificam as propriedades mecânicas, a resistência ao impacto e a resistência à corrosão simultaneamente.

O outro lado do tratamento térmico é o controle de tensões. Recozimento, normalização e alívio de tensões podem remover a tensão residual deixada pelo trabalho a frio, dobra ou soldagem. Mas a têmpera introduz novas tensões, e se essas tensões não forem controladas, a peça empena, deforma ou trinca durante o próprio processo que deveria fortalecê-la.

Conformação e tratamento térmico em conjunto: Tratamento termomecânico

Algumas das melhores combinações de propriedades resultam da integração da conformação e do tratamento térmico em um único processo, em vez de realizá-los separadamente. Esse é o tratamento termomecânico, que produz resultados que nem a deformação plástica nem o tratamento térmico isoladamente conseguem alcançar. O exemplo industrial mais comum é a laminação controlada seguida imediatamente por têmpera direta em aços de alta resistência e baixa liga, onde o controle preciso da temperatura durante a laminação flui diretamente para a têmpera, sem uma etapa intermediária de resfriamento, refinando a microestrutura e melhorando simultaneamente a resistência e a ductilidade.

Por que isso não aparece em um certificado de fábrica?

A composição química e a faixa de dureza descrevem a condição inicial do aço, não como ele se comportará após a soldagem, conformação ou tratamento térmico. Duas bobinas do mesmo tipo de aço podem reagir de forma diferente a processos idênticos se a estrutura granular, o histórico térmico prévio ou o teor de inclusões não forem consistentes entre elas. É por isso que as propriedades que uma peça realmente apresenta em serviço dependem tanto de como o aço foi processado quanto do tipo especificado.