Guia completo para tratamento térmico do aço ferramenta O1

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Aço para ferramentas O1 É um material fundamental em aplicações de trabalho a frio, amplamente utilizado na fabricação de diversos moldes e ferramentas. Sua designação “O” indica que se trata de um aço de têmpera em óleo. O excepcional potencial do aço O1 só pode ser plenamente explorado por meio de tratamento térmico. O desempenho final e a vida útil de uma ferramenta dependem inteiramente da precisão do processo de usinagem. tratamento térmico Se o controle do processo for inadequado, as propriedades do material ficarão significativamente comprometidas.

Para obter propriedades mecânicas ótimas, o processo de tratamento térmico para O1 deve seguir rigorosamente quatro etapas críticas consecutivas:

1. Pré-aquecimentoPrepara o material para posterior aquecimento em alta temperatura e reduz o estresse térmico.
2. AustenitizaçãoAquecimento acima da temperatura crítica para induzir uma transformação na estrutura interna do aço.
3. ResfriamentoNormalmente, utiliza-se resfriamento rápido em óleo para atingir alta dureza.
4. TêmperaReaquecer a uma temperatura mais baixa serve para ajustar a dureza, eliminar a fragilidade e aumentar a resistência.

O objetivo de todo o processo é alcançar um estado de equilíbrio ideal para o aço ferramenta O1, controlando com precisão parâmetros como duração do aquecimento, temperatura e fluido de arrefecimento. Esse equilíbrio garante que o aço possua alta dureza, alta resistência ao desgaste e tenacidade suficiente para atender às exigências de ambientes de trabalho a frio rigorosos.

Entendendo o aço ferramenta O1: classificação, composição e propriedades do núcleo

O aço ferramenta O1 (número UNS T31501) pertence à família dos aços ferramenta para trabalho a frio com têmpera em óleo. É conhecido na indústria como o aço "coringa" ou "de uso geral", sendo facilmente encontrado e relativamente barato.

Composição química e seu impacto no desempenho

O desempenho ideal do O1 resulta da combinação precisa de alto teor de carbono e níveis moderados de elementos de liga.

• Carbono (C) – 0,85% a 1,00%: Este é o elemento central do aço O1. Um teor de carbono tão elevado é a base para a sua capacidade de desenvolver uma estrutura martensítica de alta dureza após têmpera.
• Manganês (Mn) – 1,00% a 1,40%: O manganês desempenha um papel crucial. Ele estabiliza eficazmente a fase austenítica e reduz a temperatura crítica de transformação (A1). Isso permite que o aço O1 atinja o endurecimento por têmpera a temperaturas relativamente baixas.
• Tungstênio (W) e cromo (Cr) – 0,40% a 0,60% cada: Esses elementos são usados principalmente para aumentar a durabilidade. O tungstênio (W) contribui para a alta resistência à abrasão e para o corte preciso do aço. O cromo (Cr) também aumenta significativamente a temperabilidade e a resistência ao desgaste.
• Vanádio (V) – tipicamente até 0,30%: Serve como elemento de liga suplementar.

Aplicações típicas

O aço O1 apresenta excelente resistência ao desgaste em temperaturas normais, tornando-o altamente adequado para a fabricação de diversas matrizes e componentes para trabalho a frio, incluindo: matrizes de corte, matrizes de cunhagem, matrizes de estampagem, matrizes de conformação, calibradores, guias de máquinas, moldes de plástico, lâminas de corte e matrizes de acabamento.

Apesar da sua ampla gama de aplicações, o O1 apresenta duas limitações principais que devem ser rigorosamente observadas:

1. O aço O1 apresenta resistência extremamente baixa ao amolecimento em altas temperaturas. Assim que a ferramenta aquece durante a operação devido ao atrito ou outros fatores, ela perde dureza rapidamente. Sua aplicação é estritamente limitada a ambientes de baixa temperatura (temperatura ambiente). Ele não possui a dureza característica do aço vermelho.“
2. O aço O1 é propenso à descarbonetação e ao surgimento de fissuras durante o tratamento térmico, exigindo um controle rigoroso do processo.

Os quatro passos para o tratamento térmico adequado do aço ferramenta O1

O desempenho máximo e a vida útil de ferramentas e matrizes dependem inteiramente da precisão do processo de tratamento térmico. As propriedades do aço O1 devem ser alcançadas por meio de uma fórmula rigorosamente controlada, composta por quatro etapas principais: pré-aquecimento, austenitização, têmpera e revenido.

Fase 1: Pré-aquecimento do aço ferramenta O1

Seu objetivo é elevar com segurança a temperatura da peça de trabalho em preparação para a subsequente etapa de austenitização em alta temperatura. A temperatura de pré-aquecimento é de 650 °C (1200 °F), na qual a peça é mantida por 10 a 15 minutos ou até que toda a seção transversal esteja uniformemente aquecida.

As quatro funções principais do pré-aquecimento:

1. Reduz o choque térmico: Colocar uma peça fria diretamente em um forno de alta temperatura causa um choque térmico severo. O pré-aquecimento reduz significativamente o risco de distorção excessiva ou rachaduras.
2. Alívio de tensão: O pré-aquecimento ajuda a liberar as tensões internas geradas durante os processos de usinagem ou conformação.
3. Pré-condicionamento da Microestrutura: Esta etapa pré-ajusta a estrutura interna do aço, facilitando sua transformação em martensita durante as etapas subsequentes de têmpera.
4. Minimiza os efeitos na superfície: Em fornos com atmosferas não neutras, o pré-aquecimento ajuda a reduzir o grau de descarbonetação ou carbonetação que ocorre na superfície da peça.

Evite rigorosamente tempos de espera prolongados! O aço O1 não deve ser mantido por muito tempo na temperatura de pré-aquecimento de 650 °C (1200 °F), pois isso perturbará a estrutura molecular e afetará negativamente as propriedades finais.

Uma pequena dica operacional: ao colocar uma peça em um forno já aquecido a 650 °C, recomenda-se posicioná-la primeiro na parte superior do forno por um breve período para remover qualquer resfriamento. Isso serve como uma precaução adicional para reduzir ainda mais o risco de choque térmico.

Fase 2: Austenitização (Endurecimento)

Esta é a segunda operação principal de tratamento térmico. O aço é aquecido a uma temperatura específica para transformar sua estrutura interna em austenita uniforme e dissolver os carbonetos na solução sólida.

A temperatura de austenitização recomendada para O1 é de 815 °C (1500 °F), com uma faixa geral de 760 °C (1400 °F) a 870 °C (1600 °F). O tempo de permanência é de 5 minutos adicionais por polegada de espessura mínima da seção transversal. Por exemplo, se a seção mais fina da peça for de 2 polegadas, o tempo de permanência será de 10 minutos. Um tempo de permanência insuficiente resulta em dissolução inadequada dos elementos de liga, levando a um endurecimento não uniforme. Para peças com espessura superior a 25 mm (1 polegada), o tempo de permanência deve ser aumentado proporcionalmente.

O controle da temperatura é crucial. Se a temperatura estiver muito alta, ocorrerá dissolução excessiva dos carbonetos da liga. Isso leva a um teor excessivo de carbono na austenita, reduzindo a temperatura de início da transformação martensítica (Ms) e, consequentemente, aumentando a austenita retida após o endurecimento. A austenita retida reduz a dureza e a estabilidade dimensional do aço. Se a temperatura estiver muito baixa, a peça pode não endurecer completamente, podendo levar ao surgimento de trincas.

Fase 3: Resfriamento — A necessidade de óleo

Para atingir a dureza e a profundidade de têmpera necessárias, o óleo deve ser usado como meio de têmpera. A temperatura do óleo de têmpera não deve ser inferior a 80 °C (176 °F) e o óleo deve ser vigorosamente agitado para garantir a transferência uniforme de calor para a peça. A peça deve ser resfriada no óleo até que sua temperatura atinja a faixa de 52 °C a 65 °C (125 °F a 150 °F), momento em que deve ser retirada do óleo. Quando a peça atingir de 52 °C a 65 °C, ela deve ser imediatamente transferida para o forno de revenido. O aço temperado atinge uma dureza extremamente alta (tipicamente 64-65 HRC), mas também é altamente tensionado e quebradiço. O revenido tardio torna o aço altamente suscetível a trincas de têmpera. Se o revenido imediato for inevitável, recomenda-se manter o aço entre 50 °C e 100 °C enquanto se aguarda o revenido.

Um ponto técnico adicional é que o O endurecimento do aço (transformação martensítica) ocorre, na verdade, a temperaturas abaixo de aproximadamente 205 °C (400 °F). Embora a peça permaneça acima de 205 °C, ela ainda está relativamente macia, e pequenas operações de endireitamento podem ser viáveis nesta fase.

Fase 4: Revenimento do aço ferramenta O1

O revenimento é a etapa final do tratamento térmico do aço ferramenta O1 após a têmpera. Embora a têmpera torne o aço extremamente duro, ela também o deixa em um estado perigoso de alta tensão e alta fragilidade. O principal objetivo do revenimento é eliminar essas tensões internas críticas, aumentando a tenacidade e a ductilidade do aço e garantindo a estabilidade dimensional final. Durante o processo de revenimento do aço O1, a dureza diminui continuamente à medida que a temperatura de revenimento aumenta.

A faixa de temperatura de revenido mais comumente usada para o aço O1 é de 149 °C a 232 °C (300 °F a 450 °F). O revenido dentro dessa faixa de temperatura mais baixa permite que o aço O1 aumente significativamente sua tenacidade, mantendo uma dureza muito alta, tipicamente atingindo 62–63 HRC. 175 °C (350 °F) é a temperatura mais comumente selecionada. O tempo de permanência na temperatura deve ser suficiente para garantir a completa penetração do calor. Para cada 25 mm (1 polegada) de espessura da seção transversal, são necessárias 2 horas de permanência na temperatura de revenido. O subrevenido deve ser estritamente evitado. Após a permanência na temperatura de revenido, recomenda-se resfriar a peça lentamente em ar parado para minimizar a geração de novas tensões residuais durante o resfriamento.

O aço ferramenta O1 normalmente requer apenas um revenimento. No entanto, para maximizar as propriedades metalúrgicas — como refinar o tamanho do grão, aumentar a resistência ao desgaste ou obter um alívio de tensões mais completo — o revenimento duplo é, por vezes, preferível. Este revenimento secundário pode ser realizado a uma temperatura ligeiramente inferior ou essencialmente à mesma temperatura para garantir uma transformação microestrutural completa e melhorar a estabilidade microestrutural.

À medida que a temperatura de revenimento aumenta, a dureza e a resistência do aço à temperatura ambiente geralmente diminuem, enquanto a ductilidade aumenta. Para o aço ferramenta O1, os valores típicos de dureza após o revenimento são¹:

Características de desempenho e prevenção de falhas

Devemos permanecer vigilantes quanto aos potenciais riscos de falhas no aço ferramenta O1 causados por procedimentos inadequados de tratamento térmico, defeitos de material ou projeto de ferramenta inadequado.

Dureza e propriedades mecânicas

O aço O1 normalmente apresenta uma dureza de trabalho na faixa de 56-62 HRC. Apesar de possuir alta dureza, o aço O1 demonstra propriedades mecânicas superiores, particularmente quando comparado a outros aços. Aço para ferramentas D2:

1. Maior limite de escoamento: Em testes de tração, o O1 atinge um limite de escoamento de 829 MPa, superando significativamente os 411 MPa do D2.
2. Boa ductilidade: O1 exibe um "estriccionamento acentuado" (uma redução de 19,7% na área da seção transversal) antes da fratura. Esse comportamento de estricção é um claro indicador da boa ductilidade e tenacidade do material. Em contraste, D2 não apresenta praticamente nenhum estriccionamento, com apenas uma redução de 1,3% na área, demonstrando sua fragilidade.

Dentre os aços da série O, o aço O1 possui a maior resistência ao impacto em sua faixa típica de dureza de trabalho, de 57 a 64 HRC.

Controle de distorção e estabilidade dimensional

O aço ferramenta O1 apresenta um risco moderado de deformação durante o tratamento térmico. Em contrapartida, o aço temperado em água apresenta um alto risco de deformação, enquanto o aço temperado ao ar apresenta um risco menor. A têmpera em óleo, em vez da têmpera em água, é o fator chave para minimizar o risco de deformação no aço O1.

A deformação durante o tratamento térmico é causada principalmente por tensões térmicas e tensões de transformação de fase. Para o aço O1 temperado em óleo na temperatura de tratamento térmico adequada, o aumento dimensional esperado é de aproximadamente 0,0015 polegadas por polegada (0,0015 milímetros por milímetro). Por exemplo, uma peça de aço O1 com 100 milímetros de comprimento terá um aumento de tamanho de aproximadamente 0,15 milímetros após o tratamento térmico, que é a variação esperada.

Para minimizar o risco de deformação e fissuração no aço O1 durante o tratamento térmico, as seguintes medidas são cruciais:

1. Antes do resfriamento brusco em alta temperatura, deve-se empregar um ciclo de pré-aquecimento adequado para eliminar eficazmente as tensões internas que possam ter se desenvolvido durante a usinagem.
2. Durante a fase de projeto, os designers devem seguir rigorosamente evitar Incorporar as seguintes características na peça de trabalho, pois elas atuam como pontos de concentração de tensão que aumentam significativamente a probabilidade de fissuras de têmpera e deformação:
   • Bordas e cantos afiados.
   • Proximidade entre seções espessas e seções finas.
   • Marcas de carimbo.
   • Furos com espaçamento inadequado.
3. Para peças submetidas a usinagem subsequente extensa após tratamento térmico, como retificação de precisão ou eletroerosão, recomenda-se fortemente um revenido de alívio de tensões. Isso ocorre porque esses processos subsequentes reintroduzem novas tensões na superfície do material endurecido. A temperatura para esse revenido de alívio de tensões deve ser de 14 °C a 28 °C (25 °F a 50 °F) inferior à temperatura do revenido final (principal) para aliviar eficazmente as tensões recém-introduzidas sem reduzir significativamente a dureza.

Evitando a descarbonetação e o trincamento

Para garantir a segurança absoluta durante o processamento em altas temperaturas, é essencial prevenir a descarbonetação e evitar a formação de "martensita não revenida".

A descarbonetação refere-se à perda de carbono superficial do aço em altas temperaturas. Isso resulta na formação de uma "camada macia" na superfície da peça, tornando as ferramentas propensas ao desgaste rápido durante a aplicação. Embora o aço O1 seja geralmente considerado altamente resistente à descarbonetação, como medida de precaução, seus processos de recozimento ou têmpera (endurecimento) devem ser conduzidos sob atmosfera neutra controlada, como em fornos a vácuo, fornos com atmosfera protetora ou fornos de banho de sal neutro.

A martensita recém-temperada ou não revenida é extremamente frágil. Essa estrutura resulta da transformação da austenita retida durante o resfriamento. O revenimento estabiliza a microestrutura e reduz significativamente a fragilidade.

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1. Leed, RM (Ano de publicação). SOLUÇÃO DE PROBLEMAS PARA FABRICAÇÃO DE FERRAMENTAS E MOLDES (p. 244). Sociedade de Engenheiros de Manufatura. ↩︎