AISI Aço para ferramentas A2 É um aço para ferramentas de trabalho a frio, de liga média, endurecível ao ar, amplamente utilizado, oferecendo um equilíbrio favorável entre resistência ao desgaste e tenacidade. Atualmente, um dos aços para ferramentas mais populares nos Estados Unidos, é comumente empregado na fabricação de ferramentas de alta precisão, como medidores, instrumentos de medição de precisão e matrizes complexas para operações de conformação, corte e trefilação. O aço A2 é uma classe endurecível ao ar que pode ser temperada ao ar, oferecendo alta temperabilidade, o que o torna adequado para usinagem em componentes de precisão complexos. A vantagem da têmpera ao ar reside na minimização da distorção do material e no aumento da estabilidade dimensional durante a transformação crítica de austenita em martensita, proporcionando maior segurança na têmpera em comparação com as classes temperadas em água.
Compreendendo a distorção
O que é endurecimento?
A têmpera é um processo de tratamento térmico projetado para aumentar a dureza e a resistência do aço. Para aços-ferramenta, esse processo normalmente envolve três etapas: austenitização (aquecimento para formar austenita), têmpera (resfriamento rápido para transformar austenita em martensita) e revenimento. O objetivo principal é desenvolver alta dureza, o que melhora a resistência ao desgaste e a capacidade de corte. Um pré-requisito fundamental para a têmpera é a formação de austenita, que dissolve carbonetos e é a fase de alta temperatura. Quando resfriada rapidamente (têmpera), essa austenita se transforma em martensita, a estrutura de matriz dura e de grãos finos dos aços.
As três principais causas da distorção
Distorção refere-se a mudanças inesperadas ou inconsistentes de tamanho e forma que ocorrem durante o tratamento térmico. É um problema complexo, com três fatores principais:
- Estresse térmico: Isso decorre de gradientes de temperatura estabelecidos durante o aquecimento ou têmpera. A expansão ou contração diferencial ocorre porque a superfície de uma peça aquece ou esfria mais rápido do que seu interior, induzindo tensões. As características de resfriamento geralmente uniformes dos aços endurecíveis ao ar, como o A2, ajudam a minimizar esse problema em comparação com os aços temperados a líquido.
- Tensão residual de usinagem: Essas tensões se originam de operações de trabalho a frio, como usinagem ou retificação. Essas tensões "travadas" são liberadas pela deformação plástica quando o aço é aquecido e seu limite de escoamento é reduzido, podendo causar distorção, flexão ou torção. O alívio de tensões após a usinagem de desbaste é necessário para mitigar essa causa.
- Geometria da Parte: O design do componente tem uma influência significativa na distorção. Características como cantos vivos, mudanças bruscas de seção e paredes finas dificultam o aquecimento e o resfriamento uniformes, aumentando assim o risco de rachaduras e empenamentos.
Mudança de tamanho vs. mudança de forma
A distorção se manifesta em duas formas principais: mudança de tamanho e mudança de forma. Mudança de tamanho refere-se à variação volumétrica irreversível (crescimento ou contração) causada principalmente por mudanças na estrutura cristalina e no volume de transformação de fase. Essa expansão ocorre quando uma microestrutura recozida é convertida em martensita. Mudanças de tamanho são geralmente previsíveis para um determinado tipo de aço; por exemplo, espera-se que o aço para ferramentas A2, quando temperado ao ar a partir da temperatura de têmpera adequada, expanda aproximadamente 0,001 polegada por polegada. Mudança de forma, também conhecida como empenamento, envolve mudanças na forma geométrica, como flexão ou torção. Resulta principalmente de tensões térmicas e de transformação não uniformes ou do relaxamento de tensões residuais. Aço para ferramentas A2Chapas de aço para ferramentas A2
As 5 etapas para distorção mínima do aço ferramenta A2
Etapa 1 – Preparação e alívio do estresse
A usinagem em desbaste do aço A2 induz deformação plástica e alta deformação superficial na microestrutura recozida. Quando essas tensões se combinam com tensões térmicas e de transformação de fase durante a têmpera subsequente, podem causar deformação ou trincas significativas no material A2. Para eliminar essas tensões inerentes, recomenda-se fortemente o tratamento de alívio de tensões entre a usinagem em desbaste e a usinagem de acabamento.
Aquecer lenta e uniformemente o aço ferramenta A2 não temperado a 649-677 °C (1200-1250 °F). A peça deve ser mantida a essa temperatura por um período calculado em 4,7 minutos por milímetro de espessura. Após a imersão, ela deve ser resfriada lentamente à temperatura ambiente dentro do forno de aquecimento.
Etapa 2 – O Calor Austenitizante
O processo de endurecimento começa com Austenitização, onde o aço é aquecido para formar austenita, pré-requisito necessário para atingir a estrutura martensítica (endurecida). A taxa de aquecimento deve ser cuidadosamente controlada; o aquecimento rápido pode causar distorção ou rachaduras devido às diferenças de temperatura (gradientes térmicos) que se desenvolvem entre a superfície e o núcleo.
Para garantir a uniformidade da temperatura e minimizar o choque térmico, uma abordagem em duas etapas é normalmente utilizada para aços-ferramenta, embora o aço A2 dependa principalmente de um pré-aquecimento inicial. Após o pré-aquecimento, a temperatura é rapidamente aumentada até a temperatura final de austenitização, que para o aço A2 normalmente está na faixa de 925 a 980 °C. Observe que temperaturas muito baixas limitam a dissolução do carboneto e reduzem a dureza, enquanto temperaturas muito altas causam retenção excessiva de austenita, reduzindo a dureza e o risco de trincas. O tempo de imersão padrão para o aço A2 é de aproximadamente 1 hora por polegada (25 mm) de seção transversal, garantindo homogeneidade sem causar efeitos indesejáveis de imersão excessiva.
Etapa 3 – A têmpera (endurecimento ao ar)
O A2 é um aço para ferramentas temperado ao ar. O endurecimento ao ar reduz significativamente a intensidade da deformação e o choque térmico sofridos pelo aço, minimizando assim a deformação e aumentando a resistência a trincas.
O processo de resfriamento deve ser realizado em ar ambiente parado, garantindo espaço adequado para circulação uniforme do ar. Para evitar a descarbonetação da superfície, o aço A2 pode ser selado com película de aço inoxidável. Como acontece com todos os aços endurecíveis ao ar, a temperabilidade total do aço A2 é limitada pelo tamanho da seção; seções com mais de 102 mm (4 polegadas) normalmente não atingem a têmpera total durante o resfriamento ao ar.
Para seções tão grandes, uma alternativa como Têmpera instantânea em óleo pode ser utilizado, onde a peça é imersa em óleo apenas até que o calor vermelho visível (em torno de 540 °C ou 1000 °F) se dissipe, seguido de resfriamento em ar parado a 65 °C (150 °F). Independentemente do método de têmpera, o objetivo é resfriar a peça a 65 °C (150 °F) (mas não menos) para permitir que a transformação da martensita prossiga e, em seguida, transferi-la imediatamente para o revenimento.
Passo 4 – O temperamento “estalo”
Após a têmpera do aço A2, a peça deve ser imediatamente transferida para o forno de revenimento quando a temperatura atingir 65 °C (150 °F). A transferência deve ser rápida; caso contrário, a martensita recém-formada deixará o aço em um estado frágil sob alta tensão. Se o revenimento não for realizado prontamente, a austenita retida se estabilizará à temperatura ambiente ou se transformará espontaneamente em martensita frágil não revenida, levando a alterações dimensionais incontroláveis e trincas.
Etapa 5 – Têmpera final
O revenimento elimina tensões internas, aumenta a tenacidade e a ductilidade e promove a estabilidade dimensional por meio da transformação da austenita retida. Para o aço ferramenta A2, são necessários múltiplos ciclos de revenimento para atingir as propriedades ideais.
A temperatura típica de revenimento para o aço A2 é de 205 °C (400 °F), com um tempo de retenção de 2 horas por polegada (25 mm) de espessura da seção. A temperatura de revenimento secundário recomendada para o aço A2 é de 190 °C (375 °F), 14 °C (25 °F) abaixo da temperatura de revenimento inicial. Este processo refina a estrutura dos grãos, aumenta a tenacidade e a vida útil da ferramenta, sendo particularmente adequado para peças com geometrias complexas.
Protocolos de segurança críticos para tratamento térmico de aço A2
Equipamentos de Proteção Individual (EPI)
Todas as operações que envolvem metal fundido devem levar em consideração a segurança do operador. Os Equipamentos de Proteção Individual (EPI) necessários para tratamento térmico incluem capacete, protetor facial (usado sobre óculos de segurança), luvas isolantes tipo manopla e aventais ou casacos de proteção contra altas temperaturas (como aluminizados ou de couro). A proteção dos pés requer protetores de calçados de aço ou botas de couro de cano alto com protetores de aço. Ao operar fornos de banho de sal, protetores, luvas, aventais e proteção ocular devem ser usados pelo pessoal, que também deve ser cuidadosamente instruído sobre o manuseio de sais tóxicos contendo cianeto. O pessoal também deve ser treinado na operação e manutenção seguras de todos os equipamentos.
Segurança de Fornos e Meio Ambiente
A obtenção de propriedades de tratamento térmico bem-sucedidas depende da escolha adequada do forno e do tipo de atmosfera mantida em seu interior. Atmosferas controladas são necessárias para proteger a superfície do aço da oxidação e da descarbonetação. Recomenda-se a ventilação adequada do forno e dos tanques de enxágue para o exterior, a fim de garantir a segurança contra vapores e respingos e minimizar a corrosão na área de trabalho. Ao utilizar gases exotérmicos ou endotérmicos para controle da atmosfera, esses gases não devem ser introduzidos até que a temperatura do forno atinja ou exceda 760 °C (1.400 °F) para evitar o risco de explosão. As temperaturas do forno devem ser controladas uniformemente e a carga deve ser balanceada para minimizar distorções e tensões térmicas. Uma boa limpeza nas áreas de trabalho e de segurança também é essencial.
Manuseio seguro de aço quente
Peças altamente aquecidas, especialmente quando estão acima da temperatura de transformação, tornam-se escorregadias em sua superfície e devem ser manuseadas com cuidado extra. Peças quentes são sempre manuseadas com pinças longas, sendo aconselhável ter dois pares disponíveis. As pinças devem ser aquecidas antes de segurar a peça quente para reduzir o choque térmico e o estresse no aço. Ao imergir peças e acessórios de suporte da peça em banhos de sal fundido, o pré-aquecimento é fundamental para remover qualquer umidade e evitar respingos. Além disso, sais de nitrato-nitrito fundidos não devem entrar em contato com sais de nitretação no estado fundido, pois esse contato resultará em uma explosão. Ao endireitar aço quente acima de 205 °C (400 °F), é imprescindível o uso de equipamento de proteção, pois o aço é altamente instável nessa condição.
Solução de problemas: um guia rápido para problemas comuns
Problema 1: A peça empenada ou torcida
Causas: A deformação resulta da liberação de tensões mecânicas existentes (da usinagem) ou de grandes gradientes térmicos/de transformação.
Soluções: Alivie a tensão do componente antes do endurecimento, idealmente a 649–677 °C (1200–1250 °F). Garanta um aquecimento uniforme utilizando o pré-aquecimento necessário de 650 °C (1200 °F) para equalizar a temperatura. A característica de endurecimento ao ar do A2 minimiza inerentemente a distorção em comparação com aços temperados a líquido.
Problema 2: A peça rachada
Causas: As fissuras decorrem de tensões localizadas que excedem a resistência do material, frequentemente iniciadas por falhas de projeto, como cantos vivos ou furos. O superaquecimento durante a austenitização leva à formação de grãos grosseiros, fragilização e aumento da suscetibilidade27….
Soluções: Revenir imediatamente após a têmpera a 65 °C (150 °F) para aliviar altas tensões residuais, evitando rachaduras tardias. Evite cantos vivos e mudanças bruscas de seção no projeto.
Problema 3: Dureza muito baixa
Causas: A baixa dureza pode ser causada pela descarbonetação da superfície ou por tempo de imersão inadequado. Além disso, se a temperatura de austenitização for muito alta, forma-se excesso de austenita retida.
Soluções: Como o A2 é suscetível à descarbonetação, proteja a superfície com uma película ou atmosfera controlada para evitar esse problema. O revenimento duplo (204 °C e depois 190 °C) é crucial para converter a austenita retida em martensita fresca, aumentando assim a dureza e a estabilidade finais da ferramenta.
Se você tiver alguma dúvida sobre o aço para ferramentas A2 ou quiser adquiri-lo, não hesite em nos contatar. Nossa empresa, a AoboSteel, possui mais de 20 anos de experiência no setor de forjamento de aço para ferramentas, com profundo conhecimento do aço para ferramentas e ampla experiência em aplicações práticas.
