Tratamento Criogênico de Aço Ferramenta
O tratamento criogênico resfria o aço para ferramentas até entre -109°F (-79°C) e -320°F (-196°C) após a têmpera, para concluir a transformação da austenita retida em martensita. As tabelas nesta página apresentam as temperaturas, os tempos de permanência e o revenimento que se segue, extraídos do capítulo de criogenia da fonte. Este é um resumo de referência de práticas publicadas e não uma especificação da Aobo Steel.
O que o tratamento a frio faz ao aço para ferramentas
A têmpera raramente conclui o trabalho. A fonte considera um bom tratamento térmico como 95% a 96% de transformação da austenita em martensita quando a receita é seguida exatamente, o tempo está correto em cada etapa e o forno está calibrado. Em peças tratadas em massa o número é bem menor, e a fonte encontrou 50% a 60% em brocas e lâminas de serra tratadas comercialmente.
A austenita remanescente continua se transformando ao longo de um longo período, mas muito lentamente, de modo que a peça continua mudando em estrutura e em dimensão enquanto está em serviço. É por isso que a fonte direciona calibres de controle de qualidade para um processo criogênico. Um calibre que ainda está se movendo não consegue manter uma tolerância.
O tratamento a frio é o único método que a fonte conhece que chega perto da transformação completa, com 99,8% a 100% de martensita. O gelo seco atinge até 97% quando o patamar é suficientemente longo. O ganho entre os dois é pequeno em termos percentuais e a fonte ainda o considera significativo para resistência ao desgaste em muitas ferramentas.
As três rotas e os números de cada uma
Existem três rotas práticas, e a fonte indica os números de cada uma delas. Empresas comerciais tratam ferramentas como serviço, em um lote grande o suficiente para encher o freezer, e os preços típicos variam de $1 a $9 por libra, com um mínimo de $50 a $100. Um processador que trabalha apenas com gás seco atinge -260 a -300°F (-162 a -184°C), o que a fonte chama de temperatura mínima para que a mudança ocorra de todo.
A rota que atinge a temperatura mais fria introduz nitrogênio líquido somente depois que a carga desceu lentamente em gás, de modo que as peças nunca sofrem choque térmico. O nitrogênio líquido também pode ser comprado em um dewar para trabalho interno, mas a fonte é direta ao afirmar que isso exige treinamento e equipamento construído para o processo, não um freezer horizontal com um recipiente dentro.
O gelo seco não exige equipamento de capital. A fonte descreve uma caixa de isopor forrada com lâmina plástica, as ferramentas no fundo, querosene K1 derramado sobre elas para conduzir o frio uniformemente, e uma tampa ventilada. O querosene não congela nessa temperatura. A caixa deve poder respirar, porque o gelo seco expande para três ou quatro vezes seu volume ao descongelar.
Rotas de tratamento criogênico e suas temperaturas e tempos de permanência
| Rota | Temperatura atingida | Resfriamento | Permanência na temperatura | Aquecimento |
|---|---|---|---|---|
| Nitrogênio líquido, gás seco primeiro e depois líquido | -320°F (-196°C) | 4 a 8 horas | 20 horas no mínimo | 20 a 30 horas, sem calor adicionado |
| Nitrogênio líquido, líquido introduzido no final | -250°F (-157°C) em gás, depois líquido | algumas horas apenas em gás | 18 a 20 horas coberto | por conta própria, tampa fechada |
| Gelo seco em caixa de isopor | -109°F (-79°C) | não informado | 8 a 10 horas no mínimo, mais é melhor | 6 a 7 horas até 2 dias |
Fonte, capítulo de Criogenia, páginas impressas 108 a 113. Um processador limitado a gás seco atinge apenas -260 a -300°F (-162 a -184°C), o que a fonte chama de mínimo necessário para produzir a mudança requerida.
Quanto da austenita é transformada
As duas tabelas acima estão lado a lado por um motivo. O que a peça acaba tendo depende do que o tratamento térmico deixou para trás, e a fonte faz questão de dizer isso. Ferramentas que foram mal tratadas termicamente quando fabricadas têm mais a ganhar com um permanência a frio, porque começam com a maior quantidade de austenita retida.
Transformação de austenita em martensita por condição
| Condição | Martensita após o tratamento | O que a fonte diz |
|---|---|---|
| Boa prática, receita seguida, equipamento calibrado | 95% a 96% | o máximo que um tratamento térmico direto normalmente entrega |
| Itens tratados termicamente em massa, brocas e lâminas de serra como exemplo | 50% a 60% | o que a fonte encontrou em peças tratadas comercialmente |
| Gelo seco, imerso por tempo suficiente | até 97% | definido pela quantidade de austenita retida que resta após o revenimento |
| Nitrogênio líquido, seco ou úmido, carga acondicionada corretamente | 99,8% a 100% | a única rota que chega perto da transformação completa |
Fonte, capítulo de Criogenia, páginas impressas 107 e 113.
(a) A fonte acrescenta que os valores de 97% e de 99,8% a 100% ambos pressupõem um tratamento térmico adequado que por si só produziu 75% a 80% de martensita.
Revenimento após o tratamento a frio
O revenimento após o tratamento a frio não é opcional. As peças devem primeiro voltar à temperatura ambiente e então ser mantidas a 300°F (150°C) por 2 horas por polegada de espessura. Se a temperatura de revenimento usada anteriormente no processo for conhecida, ir 25°F (14°C) abaixo dela dá um resultado melhor, e ainda assim não pode amolecer a peça abaixo da dureza pretendida.
A fonte relata que nem todo processador comercial realiza esse revenimento, e sugere uma verificação simples. Em caso de dúvida, as ferramentas podem ser colocadas em um forno de oficina a 300°F, que está abaixo de qualquer temperatura de revenimento prescrita para aço para ferramentas e, portanto, não pode alterar a dureza já definida.
Requisitos de revenimento pós-criogênico
| Etapa | Exigência | Por que isso importa |
|---|---|---|
| Temperatura de revenimento | 300°F (150°C), ou 25°F (14°C) abaixo da temperatura de revenimento usada originalmente | 300°F fica abaixo de qualquer temperatura de revenimento prescrita, portanto não pode alterar a dureza do revenimento |
| Tempo de revenimento | 2 horas por polegada de espessura | a fonte repete a taxa de 2 horas por polegada em cada etapa do processo |
| Quando começa | depois que as peças voltam à temperatura ambiente | estabiliza a martensita formada durante a permanência a frio |
| O que confirmar com o processador | que o revenimento é realmente realizado | a fonte relata que alguns processadores comerciais o omitem |
Fonte, capítulo de Criogenia, páginas impressas 109, 111 e 112.
O efeito da película fina em ferramentas recém-tratadas
Uma ferramenta recém-tratada geralmente desgasta um pouco melhor e nem de longe tão bem quanto deveria. A razão é uma camada superficial de menos de 0,001 in (0,0254 mm) que mantém um desgaste próximo ao do aço não tratado. A retificação remove essa camada e o desgaste melhorado aparece atrás dela.
A sequência prática que se segue é a que a fonte recomenda para um primeiro teste. Envie ferramentas já embotadas para tratamento, depois afie-as quando retornarem. A afiação não tem efeito sobre o processo, porque o tratamento atravessa toda a seção em vez de ficar na superfície como faz um revestimento. Também não torna a ferramenta mais frágil.
Segurança no manuseio de nitrogênio líquido e gelo seco
Nitrogênio líquido e gelo seco exigem cuidado. Um recipiente selado de qualquer um deles se romperá à medida que o gás se expande, portanto a câmara deve ser ventilada. O nitrogênio líquido desloca o ar, portanto a área deve ser bem ventilada para evitar asfixia. Peças congeladas são frágeis o suficiente para falhar catastroficamente por choque térmico e não devem ser retiradas da câmara antecipadamente, e deixar entrar ar em uma câmara fria traz condensação e óxidos para as peças.
Antes do tratamento térmico
O aço-ferramenta é fornecido no estado recozido, que é descrito na condição recozida do aço-ferramenta página, e o tratamento que precede uma permanência a frio está na guia de tratamento térmico de aço ferramenta, a tabela de têmpera e revenimento de aço para ferramentas e o Tabela de revenimento de aço para ferramentas. A variação dimensional na etapa de têmpera é abordada na variação dimensional do aço para ferramentas no tratamento térmico página, e o trabalho de calibração na aço para ferramentas para calibres e ferramentas de precisão página. Os graus mais frequentemente enviados para tratamento a frio estão na Aço ferramenta D2, Aço ferramenta H13, Aço para ferramentas M2 e Aço para ferramentas O1 páginas.
Dados de referência compilados do capítulo de Criogenia de Heat Treatment, Selection, and Application of Tool Steels (William E. Bryson, 2ª edição, Hanser), páginas impressas 107 a 113, com os valores de austenita retida também usados no capítulo CPM 10V, página impressa 105.