Engrossamento de carbonetos em aço para matrizes H13 em serviço
Uma matriz para trabalho a quente é resistente porque mantém uma dispersão fina de carbonetos de liga. O serviço elimina essa dispersão. As partículas crescem, o espaçamento entre elas aumenta e a tensão de escoamento cai junto. Esse é o amolecimento que permite o início da fissuração por fadiga térmica, e está escrito nos carbonetos. Esta página apresenta os três carbonetos que importam em um aço para trabalho a quente com 5 por cento de cromo, o que cada um faz em temperatura, e como a temperatura de austenitização decide quanto carboneto resta no aço desde o início.
Por que os carbonetos decidem como uma matriz amolece
O endurecimento por dispersão sustenta a tensão de escoamento de um aço ferramenta através do espaçamento entre as partículas de carboneto. Mantenha as partículas pequenas e bem distribuídas, e a resistência se mantém. Deixe-as crescer, e o espaçamento se abre e a resistência cai. Em uma matriz de fundição sob pressão, isso é todo o amolecimento. A temperatura na superfície é alta o suficiente e o tempo é longo o suficiente para os carbonetos engrossarem, e uma vez engrossados a superfície não consegue mais suportar a tensão térmica sem escoar. Cromo, molibdênio e vanádio retardam o engrossamento, e o fazem de maneiras diferentes e em graus diferentes.
Três carbonetos, três funções diferentes
A fonte examinou os carbonetos na faixa amolecida de um corpo de prova ciclado 15.000 vezes e os analisou por espectrometria de dispersão de energia. Os maiores carbonetos eram ricos em cromo. Os menores eram ricos em molibdênio. O carboneto rico em vanádio não apareceu, porque mantém uma dispersão fina demais para ser resolvida. As três faixas se comportam como a química prevê, e a tabela abaixo apresenta o que cada uma contribui.
| Carboneto | De onde vem | Como se comporta em temperatura | O que o EDS encontrou |
|---|---|---|---|
| Carboneto rico em cromo, Cr7C3 | Do cromo em solução sólida, e detectado em temperaturas de revenimento tão baixas quanto 500 C | O mais suscetível dos três ao crescimento, razão pela qual o aço amolece continuamente entre 500 C e 700 C | Os maiores carbonetos na faixa amolecida |
| Carboneto rico em molibdênio, M2C ou M6C | Precipita durante o revenimento, e mantém seu tamanho acima de 1000 F | Muito menos sensível ao crescimento que o carboneto de cromo, e também retarda o crescimento do carboneto de cromo | Os menores carbonetos na faixa amolecida |
| Carboneto rico em vanádio, VC ou V4C3 | O mais estável dos três, e o único que resiste à solubilização a 1010 C por uma hora | Mantém uma dispersão muito fina mesmo em temperaturas próximas de 700 C | Não detectado, porque permanece fino demais para ser resolvido |
Os três carbonetos em um aço para trabalho a quente com 5 por cento de cromo, a forma como cada um se forma, como cada um se comporta na temperatura de serviço, e como cada um apareceu na análise EDS da faixa amolecida.
A temperatura de austenitização define quanto carboneto resta no aço
Antes de uma matriz entrar em operação, o tratamento térmico já definiu quanto carboneto estará disponível para sustentar a resistência. Aumente a temperatura de austenitização e mais carboneto entra em solução, onde fortalece a matriz e endurece o aço. Eleve-a demais e o grão cresce, com a perda de tenacidade que isso traz. A tabela apresenta o carboneto não dissolvido restante no aço em três condições, junto com a dureza alcançada após a têmpera. O carboneto de vanádio é o teimoso. Austenitizar a 1850 F por uma hora dissolve os carbonetos de molibdênio e cromo, mas deixa o carboneto de vanádio no lugar, e é necessária a faixa mais alta para trazer o restante para a solução.
| Condição | Carboneto que permanece não dissolvido | Dureza após a têmpera |
|---|---|---|
| Como recozido | Teor total de carboneto cerca de 4,4 % em peso | Não aplicável |
| Austenitizado a 1850 F por uma hora | Cerca de 2,3 % em peso, principalmente vanádio com algum molibdênio | Cerca de 59 HRC |
| Austenitizado a 1950 a 2000 F | Cerca de 1,5 % em peso, principalmente carboneto de vanádio | Aproximadamente 61 HRC |
Carboneto não dissolvido e dureza após têmpera em função da condição de austenitização para o H13. A maior parte do carboneto entra em solução entre a condição recozida e a temperatura de austenitização mais baixa, e o carboneto de vanádio restante exige a faixa mais alta.
A lei de engrossamento por trás da perda de dureza
A taxa de engrossamento segue uma lei de difusão, na qual o cubo do raio da partícula cresce com o coeficiente de difusão do soluto, a energia interfacial entre partícula e matriz, e o tempo em temperatura. Em um aço onde cementita e um carboneto de liga coexistem, a cementita é sempre a mais grosseira das duas e engrossa mais rápido que qualquer carboneto de liga. Entre os carbonetos de liga deste grau, o carboneto rico em cromo é o mais propenso ao crescimento, e a presença de molibdênio e vanádio o retarda em certo grau. Como o cromo difunde mais rapidamente na ferrita que a maioria dos elementos de liga metálicos, o carboneto de cromo é detectado a partir de 500 C e engrossa rapidamente em comparação com os carbonetos de molibdênio e vanádio. É por isso que um aço para trabalho a quente ao cromo amolece continuamente entre 500 C e 700 C, a menos que haja molibdênio para retardá-lo, e por que o teor de vanádio vale mais para uma matriz do que seu custo.
O que isso significa na prática
O aço nesses testes é o H13 grau premium, o aço cromo para trabalho a quente abordado na página do aço ferramenta H13. O amolecimento que esse engrossamento produz está no página de amolecimento de molde H13, e a resistência da família a esse amolecimento no página de resistência ao amolecimento para trabalho a quente. Os tipos de carboneto em toda a gama de aços para ferramentas estão apresentados na página de tipos de carboneto e dureza, a fração volumétrica de carboneto na página de fração volumétrica de carboneto, e a distribuição de carboneto ao longo de uma barra na página de distribuição de carboneto. A estrutura do grau conforme temperado está na página de microestrutura do H13, o que o aço tem de suportar na página de trinca por fadiga térmica, e o projeto de resfriamento que mantém a temperatura de pico baixa na página de projeto de linha de resfriamento de molde. Como um grau é escolhido para uma prensa está na página de seleção de fundição sob pressão de alta pressão.
Antes de usar isto como especificação de liga
Esta página é um resumo de referência de um estudo publicado e não é uma especificação da Aobo Steel. Os valores de carboneto e as respostas ao tratamento térmico são reproduzidos da fonte, que testou um grau sob um conjunto de condições. Os carbonetos que um determinado molde contém também dependem da rota de fusão, da análise e do tratamento térmico aplicado. A especificação final é confirmada no trabalho.
Fonte, Effect of Design Factors on Thermal Fatigue Cracking of Die Casting Dies, D. Schwam, J. F. Wallace and S. Birceanu, Case Western Reserve University, relatório técnico final ao U.S. Department of Energy, Award No. DE-FC07-00ID138486, outubro de 2004.