Mecanismos de desgaste em aços-ferramenta e o que os controla
Um aço-ferramenta se desgasta por um de quatro mecanismos, e cada um responde a um conjunto diferente de propriedades do aço. É por isso que trocar de grau em uma matriz que está falhando pelo motivo errado não muda nada. Esta página apresenta os quatro mecanismos, os fatores metalúrgicos que se relata influenciarem cada um deles, o que os dados medidos apoiam e não apoiam, e os valores de atrito de interface dos processos de metalurgia nos quais o aço-ferramenta realiza seu trabalho.
Quatro mecanismos, um dos quais está causando o dano
O relato publicado sobre o desgaste de aços-ferramenta nomeia abrasão, adesão, corrosão e fadiga de contato como os quatro mecanismos básicos. Na metalurgia eles chegam juntos, e as proporções entre eles é o que decide a vida útil da ferramenta. A adesão é geralmente o mecanismo limitante da vida na conformação a seco, e a lubrificação é tão eficaz contra ela que, uma vez que o lubrificante esteja correto, a abrasão passa a ser o limitante. Como a mistura varia com o trabalho, a recomendação publicada é selecionar com base na experiência de produção com a combinação real de aço, lubrificante e revestimento, e não apenas em uma tabela de propriedades.
| Mecanismo | Como se apresenta na ferramenta |
|---|---|
| Abrasão | Uma fase dura é friccionada contra o aço-ferramenta. A fase dura pode estar embutida na peça de trabalho, como as inclusões de óxido estão no aço, ou pode chegar em um fluido, como a poeira de retificação alcança um guia através do fluxo de lubrificante ou como o contaminante alcança uma bomba através do óleo. |
| Adesão | O metal é soldado a frio entre ferramenta e peça de trabalho onde ocorre contato direto, que é onde o filme de lubrificante se rompeu, onde a pressão é alta ou onde o processo não deixa espaço para um filme. Piora à medida que o teor de oxigênio do ambiente cai, porque nenhuma camada de óxido pode se formar. |
| Corrosão | Aço-ferramenta novo é exposto pelo deslizamento, o filme de corrosão cresce sobre ele e a peça de trabalho então rompe esse filme, revelando aço novo. Raramente é a causa principal do desgaste da ferramenta, mas pode se tornar a dominante em alta temperatura e no processamento de plásticos. |
| Fadiga de contato | O deslizamento ou rolamento repetido de um componente sobre outro descama a superfície e inicia microfissuras. Em uma ferramenta, isso se manifesta como lascamento ao longo de uma aresta de corte ou de uma aresta de punção, e não como uma marca de desgaste. |
Os quatro mecanismos de desgaste dos aços-ferramenta e como cada um se apresenta em serviço, resumidos do artigo sobre atrito e desgaste de aços-ferramenta no ASM Handbook, Volume 18. A fonte observa que esses mecanismos raramente atuam sozinhos e que o equilíbrio entre eles é definido pelo processo.
O que influencia o desgaste abrasivo
A abrasão é o mecanismo com a estrutura mais clara por trás dele. Nos aços-ferramenta ao carbono, a resistência à abrasão está diretamente relacionada à dureza e ao teor de carbono, e uma medição adicional mostra que ela aumenta linearmente com a fração volumétrica de cementita, que é a mesma afirmação escrita em termos de estrutura em vez de química. Explicitamente, os fatores que aumentam a resistência à abrasão de um aço-ferramenta de têmpera em água são mais carbono, maior dureza superficial e maior fração volumétrica de cementita, e o primeiro deles impulsiona os outros dois.
Para os graus ligados, um estudo controlado de desgaste abrasivo a seco encontrou uma boa correlação com um único parâmetro estrutural, o tamanho dos carbonetos primários multiplicado por sua fração volumétrica multiplicado por sua dureza. A leitura prática desse produto é que o aço-ferramenta mais resistente à abrasão tem uma grande fração volumétrica de carbonetos grandes e duros. Duas ressalvas acompanham isso. A abrasão raramente é o único mecanismo em ação, já que a maior parte do desgaste em uma ferramentaria é metal contra metal. E um carboneto grande pode ser arrancado da matriz e então atuar como abrasivo ele mesmo, o que é uma forma de um grau altamente ligado se desgastar mais rápido do que seu teor de carbonetos sugere. O revenimento excessivo produz o mesmo efeito ao amolecer a matriz que sustenta os carbonetos.
O que influencia o desgaste adesivo, e onde os dados discordam
A lista publicada de fatores metalúrgicos relatados para reduzir o desgaste adesivo em aços-ferramenta inclui maior dureza a quente, o comportamento autolubrificante dos graus grafiticos, tamanho de grão pequeno, grande fração volumétrica de carbonetos primários e tamanho pequeno de carboneto primário. A maior parte dessa lista baseia-se em trabalho empírico, e a fonte é cuidadosa quanto a isso. Uma medição direta de aço-ferramenta sem lubrificação contra 440C temperado e de aço-ferramenta contra aço 1020 recozido não encontrou correlação entre o desgaste do aço-ferramenta e o tamanho do carboneto, o teor de carbono, a fração volumétrica de carbonetos, o teor total de liga ou a dureza, nem correlação com um parâmetro estrutural combinado.
A conclusão honesta para uma ferramentaria é que a resistência abrasiva pode ser prevista a partir da composição e da estrutura, e a resistência adesiva não. Onde a falha é adesiva, a resposta é um teste no par real, e as alavancas que custam menos para tentar primeiro são o lubrificante e um tratamento superficial, já que ambos atuam diretamente no mecanismo em vez de no volume do aço.
O caso limite da adesão tem seu próprio nome. Em aço rápido usado para corte exigente, a temperatura na ponta e na cratera de desgaste pode se aproximar de 700 C, e nessa temperatura carbono e cromo difundem do aço-ferramenta para o cavaco. O desgaste nessa severidade é chamado de gripagem ou galling. Os três remédios que a fonte fornece são reduzir a velocidade de corte, revestir a ferramenta e melhorar a lubrificação e o resfriamento.
O atrito na interface entre ferramenta e peça de trabalho
O atrito de interface é a quantidade que decide quanto do trabalho vai para o deslizamento em vez da deformação, e os valores publicados mostram quão ampla é a faixa nos processos em que o aço-ferramenta atua. Na extrusão a quente, o coeficiente de atrito varia de 0,015 a 0,2, que é toda a amplitude de um filme de vidro bem lubrificado a uma interface quase seca. No recalque, que representa a forjaria, o valor a seco é cerca de 0,2 para alumínio e aço e cerca de 0,1 para cobre e latão, e a lubrificação puxa todo o conjunto para a faixa de 0,05 a 0,07. No corte, o coeficiente é relatado entre 0,25 e 0,55 e depende da peça de trabalho e do fluido mais do que da ferramenta, com a lubrificação adequada reduzindo o atrito em cerca de 60 por cento ao cortar alumínio, cerca de 84 por cento ao cortar cobre e cerca de 35 por cento ao cortar aço e aço inoxidável.
A temperatura é o que está por trás desses números. A interface entre ferramenta e peça de trabalho no corte pode exceder 600 C, o que amolece a ferramenta e acelera o desgaste, e a fonte registra que apenas o resfriamento correto reduz o desgaste da ferramenta em cerca de um terço. Na forjaria, a maioria dos lubrificantes orgânicos se decompõe acima de aproximadamente 200 C, o estearato de alumínio é relatado como útil até cerca de 400 C, e muito trabalho é feito acima de 1000 C, onde apenas grafita, vidros e óxidos metálicos como o óxido de cobre sobrevivem.
A seleção do lubrificante, portanto, segue o processo e não o grau, e a prática publicada pode ser reduzida a uma lista curta. A estampagem leve da maioria dos metais precisa de pouco mais que um óleo mineral leve ou um sabão. A conformação severa de ligas à base de cobre, ferro e níquel precisa de óleos minerais de extrema pressão contendo enxofre ou cloro, ou sabão de estearato de zinco, e a conformação mais severa de trabalho à base de ferro e níquel é feita com peça de trabalho revestida com fosfato e sabão. O titânio sempre precisa de pelo menos um óleo de extrema pressão, passando para cera ou sabão à medida que a conformação fica mais difícil. A extrusão de alumínio geralmente é feita sem nenhum lubrificante, porque uma matriz de ponte, aranha ou porthole não deve reter lubrificante na costura soldada por pressão, e a proteção contra aderência na matriz vem então de manter o oxigênio longe da matriz. O óxido de cobre é um bom lubrificante e o óxido de latão não é, então latão e ligas de cobre duras são extrudados com vidro. A forjaria a quente funciona com suspensões de grafita em água, graxa ou óleo, com serragem, sais de cloreto, talco e mica todos em uso registrado. O corte usa óleos minerais, óleos miscíveis em água, fluidos sintéticos, gases onde uma visão clara do corte é necessária e lubrificantes sólidos para trabalho de baixa velocidade, como rosqueamento manual e alargamento.
Combinando o remédio ao mecanismo
| Mecanismo | O que realmente muda o resultado |
|---|---|
| Abrasão | Dureza na temperatura de trabalho, teor de carbono, fração volumétrica de cementita, e o tamanho, a fração volumétrica e a dureza dos carbonetos primários tomados em conjunto. Um grau de metalurgia do pó muda o tamanho dos carbonetos, não seu tipo. |
| Adesão | Dureza a quente, a lubrificidade intrínseca dos graus grafiticos O6 e A10, tamanho de grão pequeno, grande fração volumétrica de carbonetos primários e tamanho pequeno de carboneto primário, todos relatados a partir de trabalho empírico. Um revestimento ou uma troca de lubrificante é a alavanca prática. |
| Corrosão | Lubrificação que mantém a superfície nova coberta, um aço-ferramenta com maior teor de cromo, ou um revestimento que não reage com a peça de trabalho. |
| Fadiga de contato | Maior tenacidade e maior dureza juntas, que puxam em direções opostas. Duas formas de aumentar a tenacidade sem tocar na dureza são um grau de metalurgia do pó, que reduz o tamanho do carboneto, e uma temperatura de austenitização mais baixa. |
Os fatores metalúrgicos que controlam cada mecanismo de desgaste em aço-ferramenta, do ASM Handbook, Volume 18. Onde dois dos fatores puxam em direções opostas, como dureza e tenacidade fazem para fadiga de contato, a fonte observa que aumentar um não deve ser permitido criar um problema maior do que o que está sendo resolvido.
Um ponto adicional pertence à ferramentaria e não ao aço. Dureza e tenacidade atuam em direções opostas, então uma aresta que lasca não é automaticamente curada endurecendo-a, e as duas rotas que aumentam a tenacidade sem baixar a dureza são um grau de metalurgia do pó e uma temperatura de têmpera mais baixa. O lado dos carbonetos do mesmo argumento está apresentado em a página de tipos e dureza de carbonetos em aços-ferramenta, e os volumes de carbonetos medidos em a página de frações volumétricas de carbonetos. Os graus que a Aobo Steel mantém para trabalho limitado por desgaste estão agrupados em a página de aços-ferramenta resistentes ao desgaste abrasivo.
Graus e estoque
Onde o desgaste já ocorreu e a questão é qual foi o mecanismo, o padrão superficial é a evidência e a ordem de leitura está em o gráfico de identificação de modos de dano. Quando a ferramenta perdeu um pedaço de seu gume em vez de se desgastar, o padrão pertence a desgaste por impacto e lascamento. Quando duas superfícies se moveram uma contra a outra através de uma amplitude muito pequena, o mecanismo é fretting e é descrito separadamente.
Em um molde em vez de um gume de corte, os mesmos quatro mecanismos são lidos através do processo, e o mapeamento processo por processo está em a página sobre mecanismos de desgaste e falha de matrizes. Quando a peça de trabalho é inoxidável e a falha é aderência em vez de desgaste, os limites medidos estão em a página de engripamento de aços inoxidáveis.
Antes de usar esses valores
Esta página é um resumo de referência da prática publicada e não é uma especificação da Aobo Steel. Os mecanismos e os valores de atrito são reproduzidos da fonte, e a própria fonte adverte que os números de atrito fornecem apenas uma magnitude aproximada. A resposta útil para uma ferramenta específica vem da combinação de grau, lubrificante e revestimento no trabalho.
Fonte: ASM Handbook, Volume 18, Friction, Lubrication, and Wear Technology, ASM International, 1992.