Guia de Tratamento Térmico do Aço para Ferramentas H10

O aço para ferramentas de trabalho a quente H10 é um aço-liga de cromo-molibdênio-vanádio caracterizado pela resistência ao amolecimento em altas temperaturas e alta tenacidade. É amplamente utilizado em moldes de fundição sob pressão, matrizes de forjamento e ferramentas de extrusão, onde se encontram alta pressão e fadiga térmica. O aço H10 fornecido pela nossa empresa, Aobo Steel, está na condição recozida, apresentando uma microestrutura composta por uma matriz ferrítica e carbonetos esferoidizados. Esta condição apresenta baixa dureza, facilitando a usinagem pelos nossos clientes. Também oferecemos H10 refundido por eletroescória (ESR), com maior pureza e uma microestrutura mais uniforme, o que pode prolongar significativamente a vida útil do H10.

No entanto, a realização final do desempenho superior do H10 depende do tratamento térmico de endurecimento subsequente, que transforma a matriz recozida macia em uma estrutura martensítica endurecida após o temperamento. 

This heat treatment process primarily includes: stress relief, preheating, austenitization, quenching, and tempering. This paper will discuss these critical steps.

Lista de verificação rápida para o tratamento térmico do aço para ferramentas H10

Tratamento térmico para alívio de tensões

As operações de usinagem e conformação geram tensões residuais no aço de ferramentas H10. Se essas tensões não forem aliviadas antes do tratamento térmico de endurecimento subsequente, sua liberação pode facilmente causar deformação grave ou empenamento das peças de trabalho H10. O tratamento de alívio de tensão não altera a microestrutura do material H10.

Durante a operação específica, a peça H10 deve ser aquecida uniformemente de 650 °C a 675 °C (1200 °F a 1250 °F). O tempo de manutenção é normalmente calculado como 1 hora por polegada de espessura da seção transversal da peça H10, com um tempo mínimo de 1 hora. A peça é então resfriada lentamente ao ar.

Pré-aquecimento antes da austenitização

O pré-aquecimento minimiza o risco de deformação e fissuração no aço para ferramentas H10 causado por diferenças de temperatura. Na prática, a peça H10 é aquecida a aproximadamente 650 °C (1200 °F) para o pré-aquecimento inicial.

Posteriormente, para componentes H10 submetidos a tratamento em banho de sal a alta temperatura ou com geometrias transversais complexas, recomenda-se um segundo pré-aquecimento a 845–870 °C (1555–1600 °F). Essa abordagem de aquecimento em etapas mitiga eficazmente o choque térmico nos componentes H10 antes de entrar na fase de austenitização, garantindo, assim, a integridade estrutural e a estabilidade dimensional do aço para ferramentas H10.

Austenitização

Após a conclusão do pré-aquecimento, o aço H10 deve ser aquecido até a temperatura de austenitização. A temperatura de austenitização para o aço H10 varia de 1010 °C a 1040 °C (1850 °F a 1900 °F). O controle rigoroso da atmosfera do forno é essencial para evitar a descarbonização da superfície do H10. Recomenda-se o uso de banhos de sal fundido, atmosferas inertes ou fornos a vácuo para proteção da superfície. Quando toda a peça atingir a temperatura predefinida, ela deve ser mantida por 15 a 40 minutos. Deve-se prestar especial atenção ao controle do tempo de manutenção para evitar o crescimento excessivo dos grãos na microestrutura, devido à exposição prolongada.

Resfriamento

Quenching is the process of transforming austenite into a hard martensitic structure through controlled rapid cooling. H10 exhibits deep quenching penetration, enabling complete hardening at relatively slow cooling rates compared with ordinary carbon steels.

Os meios de têmpera padrão incluem ar, gás inerte ou banhos graduados de óleo/sal; a têmpera com água é estritamente proibida para evitar rachaduras.

Em termos de seleção de processo, o resfriamento com gás (ar) é adequado para várias seções transversais e minimiza a deformação. O resfriamento gradual com óleo/sal, no entanto, reduz efetivamente a formação de incrustações e garante o endurecimento uniforme de peças de grande seção, mantendo o equilíbrio da temperatura em um meio de 595–650 °C (1105–1200 °F) antes do resfriamento com ar dos componentes H10.

O processo de têmpera deve ser interrompido imediatamente quando a ferramenta H10 esfriar para aproximadamente 50°C a 66°C (120°F a 150°F), e o processo de revenimento deve ser iniciado imediatamente para evitar fissuras por tensão na peça.

Têmpera

A estrutura martensítica temperada apresenta extrema fragilidade e elevadas tensões internas. O revenimento é essencial para melhorar a resistência, a plasticidade e a estabilidade dimensional do material.

Para o aço para ferramentas H10, recomenda-se vivamente o temperamento duplo: o segundo temperamento permite que a martensita recém-formada durante o processo de arrefecimento do primeiro temperamento seja totalmente temperada, reduzindo assim eficazmente o risco de fraturas frágeis durante a vida útil subsequente da peça.

In terms of process, tempering should be performed immediately after quenching, employing a slow heating method. The holding time for each tempering cycle must be calculated to be at least 2 hours per inch of the workpiece’s cross-sectional thickness to ensure complete microstructural transformation.

Tabela comparativa de temperatura de têmpera e dureza H10

Solução de problemas do tratamento térmico H10

Observação: Embora o H10 e o H11 pertençam a classes diferentes, como aços para ferramentas de trabalho a quente à base de cromo (série Cr-Mo-V), eles compartilham problemas semelhantes durante o tratamento térmico. Portanto, as diretrizes a seguir também se aplicam ao diagnóstico e ao reparo de falhas comuns no aço de ferramentas H11.

Tratamento térmico de têmpera

Cracks appear during or immediately after quenching. The cause may be that the workpiece was not tempered immediately after quenching, thereby preventing the immense structural stresses generated during quenching from being promptly released. It is essential to promptly transfer the workpiece to a preheated tempering furnace for tempering once its temperature has dropped to approximately 50-60°C.

Pontos fracos da superfície

Surface soft spots primarily manifest as an uneven hardness distribution across the workpiece surface, with localized low-hardness areas. This phenomenon arises primarily from two causes: First, during liquid quenching, locally formed vapor films can impede direct contact between the cooling medium and the workpiece, resulting in insufficient cooling rates and consequently uneven hardening. Second, inadequate protection during heating may cause surface decarburization, leading to carbon loss and preventing the surface layer from reaching the intended hardness.

Para resolver essas causas, são implementadas as seguintes medidas corretivas: durante o resfriamento, agite bem o meio de resfriamento para quebrar a película de vapor; durante a fase de austenitização, utilize métodos de atmosfera controlada, como fornos a vácuo, banhos de sal ou folhas protetoras para evitar a descarbonização.

Dureza insuficiente

Insufficient hardness primarily manifests as steel failing to achieve the intended hardness after heat treatment. This typically stems from one of three causes: the austenitizing temperature was too low, the holding time was insufficient, or the cooling rate during quenching was too slow.

The solution involves regularly calibrating the furnace temperature and inspecting the thermocouple positioning to ensure the measured workpiece temperature falls within the specified hardening range of 1010°C to 1040°C, as required by H10, while ensuring sufficient soaking time to promote microstructural transformation. During the air-quenching stage, increase cooling intensity by raising the cooling-air pressure or circulation velocity to achieve the desired martensitic microstructure.

Resistência ao impacto insuficiente

A resistência ao impacto insuficiente manifesta-se principalmente como uma fratura inesperada e frágil que ocorre no início da vida útil dos componentes. As causas potenciais incluem: taxas de resfriamento excessivamente lentas, levando à precipitação preferencial de carbonetos de liga ao longo dos limites dos grãos e, assim, enfraquecendo a ligação intergranular; ou, se a temperatura de têmpera cair precisamente dentro da zona de sensibilidade à fragilidade de têmpera de 500 °C a 550 °C, também pode ser induzida uma fragilização significativa.

As soluções incluem: aumentar a taxa de resfriamento durante a têmpera para suprimir eficazmente a precipitação de carboneto nos limites dos grãos; evitar a faixa de temperatura de fragilização durante o revenimento e optar pelo revenimento “sobreenvelhecido” em temperaturas que excedam o pico de endurecimento secundário. Essa abordagem atinge a resistência ideal, preservando a dureza necessária.

Perguntas frequentes