Aços Ferramenta e para Matrizes de Soldagem

Por que ferramentas e matrizes são soldadas

A fonte agrupa o trabalho de soldagem realizado em aços ferramenta e para matrizes em cinco operações.

• Montagem de vários componentes em uma única ferramenta ou matriz
• Fabricação de uma ferramenta composta pela deposição de uma camada de metal de solda de aço ferramenta em áreas específicas de uma base de aço carbono ou aço de baixa liga
• Reconstrução de superfícies e bordas desgastadas de volta ao tamanho
• Alteração de uma ferramenta ou matriz para que possa produzir uma peça diferente
• Reparo de uma ferramenta ou matriz que rachou, quebrou ou foi danificada em serviço

Montar uma ferramenta a partir de componentes soldados permite ao fabricante usar aço mais barato onde dureza e resistência ao desgaste não são necessárias, e colocar um grau mais tenaz sob um inserto ou revestimento de aço ferramenta. A segunda e a terceira operações respondem pela maior parte da soldagem feita em ferramentas e matrizes, e muito desse trabalho é revestimento duro com ligas de revestimento duro em vez de um depósito de aço ferramenta. A quinta operação, reparo, é onde a soldagem a arco tem o maior valor, porque um grande bloco de matriz ou uma matriz de forjamento custa muito para substituir e o tempo de parada custa mais que o reparo.

Escolha do processo de soldagem

Todo processo comum de soldagem a arco pode ser usado para construir ou reparar uma ferramenta ou matriz. A escolha segue o tamanho e a complexidade do trabalho, o controle de pré-aquecimento e entre passes necessário, o tratamento térmico pós-soldagem e o metal de adição disponível. A soldagem a arco com eletrodo revestido é a mais amplamente utilizada, porque alcança posições de junta difíceis, funciona com equipamento portátil simples e os eletrodos revestidos cobrem uma ampla faixa de composições de metal de solda. A soldagem a arco de tungstênio com gás e a soldagem a arco de plasma são adequadas para áreas pequenas, seções finas e bordas afiadas, onde o controle do arco importa mais que a taxa de deposição. Para depositar um grande volume de metal de solda, como ao construir um grande bloco de matriz, preencher uma cavidade profunda ou reparar uma trinca profunda, a soldagem a arco com eletrodo revestido com eletrodos especiais grandes de até 19 mm (0,75 pol.) é uma rota, e a soldagem a arco submerso, a arco com gás metal, a arco com arame tubular e a arco de plasma com arame quente são as outras. O metal de adição para os processos semiautomáticos e automáticos vem como arame sólido ou como produtos tubulares com alma metálica composta e com fluxo, e a soldagem a arco submerso pode ser modificada com fluxos enriquecidos com liga ou adicionando pó metálico diretamente na poça de fusão.

Condição recozida ou condição temperada

Aços ferramenta e para matrizes são melhor soldados na condição recozida, e quanto mais dura a peça, mais isso importa. Uma ferramenta que foi temperada e revenida ainda pode ser reparada com sucesso, e fazê-lo evita a etapa de recozimento antes do reparo, o retemperamento e revenimento depois, e a correção dimensional que o tratamento térmico traz consigo. Uma ferramenta que foi temperada mas nunca revenida não pode ser soldada com segurança de forma alguma, e precisa ser recozida primeiro.

Temperatura de pré-aquecimento e entre passes

Ferramentas e matrizes nunca são soldadas sem pré-aquecimento, qualquer que seja a composição e qualquer que seja a condição de tratamento térmico. A temperatura de pré-aquecimento e entre passes vem da composição do aço, da espessura da seção e às vezes da condição de tratamento térmico. A tabela abaixo dá a faixa para os principais grupos de aço ferramenta, dividida entre uma peça soldada na condição recozida e uma peça soldada na condição temperada.

Fonte: Tabela 20 de Welding of Low-Alloy Steels, em ASM Handbook Volume 6, Welding, Brazing and Soldering.

Duas regras mantêm esta tabela utilizável. A temperatura de pré-aquecimento e entre passes para soldagem é escolhida para um propósito diferente do pré-aquecimento usado antes da austenitização de uma ferramenta para têmpera, e as duas não devem ser confundidas. Em uma peça temperada, a temperatura de pré-aquecimento e entre passes de soldagem deve permanecer abaixo da temperatura de revenimento que o aço recebeu, porque um pré-aquecimento mais alto revene excessivamente a ferramenta e amolece a superfície de trabalho. Onde a temperatura de revenimento não é conhecida, tome o limite inferior da faixa para esse aço.

O tamanho da seção move o valor dentro da faixa. Uma seção maciça soldada na condição recozida quer o limite superior, e uma seção fina está bem no limite inferior.

Tratamento térmico pós-soldagem

Deixado como soldado, o metal de solda e a zona afetada pelo calor de um aço ferramenta podem ser muito duros e frágeis, e racham se a peça for deixada esfriar até a temperatura ambiente antes de ser tratada. Uma ferramenta soldada na condição recozida normalmente precisa ser temperada e revenida depois para atingir o desempenho que o trabalho exige, e muitas vezes é melhor levar a peça diretamente à temperatura de têmpera assim que a soldagem termina em vez de deixá-la esfriar primeiro. Graus sensíveis a trincas podem precisar que esse aquecimento seja feito em etapas. Em um grau menos sensível a trincas, a peça pode ser deixada esfriar lenta e uniformemente até a temperatura ambiente.

Para uma ferramenta soldada na condição temperada e revenida, um diagrama de transformação isotérmica para esse aço é a ferramenta que define a prática. Com alguns aços, a temperatura de pré-aquecimento e entre passes, mantida por tempo suficiente após a soldagem, permite que a austenita se transforme em bainita em vez de martensita, que é uma estrutura que tolera resfriamento. Onde a temperatura de pré-aquecimento e entre passes que o soldador quer usar não coincide com a temperatura de transformação isotérmica, a peça é elevada ou abaixada a essa temperatura assim que a soldagem termina. Uma segunda rota é deixar a peça esfriar lenta e uniformemente após a soldagem até uma temperatura 30 a 55 °C (50 a 100 °F) abaixo da temperatura Ms do aço para que a austenita se transforme em martensita, então levá-la diretamente à temperatura de revenimento recomendada.

Prática de reparo para ferramentas e matrizes

O tipo de aço ferramenta sendo reparado e sua condição de tratamento térmico são melhor obtidos da especificação original da ferramenta ou matriz. Onde esse registro está faltando, uma análise química estabelece o teor de carbono e liga e um teste de dureza estabelece a condição. A área de reparo então precisa estar limpa e seca, e toda trinca precisa ser encontrada e removida, junto com as marcas de ferramenta deixadas pela remoção do metal danificado. O metal é removido por usinagem, retificação ou corte térmico dependendo de quão dura é a peça, e a peça é pré-aquecida antes do corte térmico ou goivagem e frequentemente antes de retificar uma ferramenta temperada.

Para um reparo parcial de uma aresta de corte ou uma superfície de trabalho, a área danificada é usinada ou retificada a uma profundidade uniforme que permita um depósito espesso o suficiente para suportar a dureza e resistência ao desgaste que a superfície precisa. Uma profundidade de ranhura de cerca de 3,2 mm (0,125 pol.) é o valor de trabalho comum. A diluição precisa ser considerada, particularmente em uma ferramenta composta onde um corpo de aço carbono ou de baixa liga suporta a superfície de trabalho. Onde toda a aresta de corte ou de trabalho precisa ser reconstruída, a aresta é chanfrada a 45 graus com profundidade suficiente para receber o depósito.

Se o reparo é uma solda de penetração total ou parcial depende de onde o reparo se situa, das tensões que a área verá em serviço, do metal de solda necessário e da condição de tratamento térmico da peça. Um reparo que exige um depósito de aço liga temperável, ou um onde a peça será temperada e revenida após a soldagem, geralmente não é seguro como solda de penetração parcial, porque trincas começam na raiz não soldada e viajam a partir dali.

A soldagem a arco com eletrodo revestido é o processo versátil para pequenas áreas de reparo, e os tamanhos grandes de eletrodo cobrem trincas profundas e a reconstrução de grandes áreas de superfície em peças maciças. Grandes reparos saem mais baratos nos processos semiautomáticos e automáticos, a arco com gás metal, a arco com arame tubular, a arco submerso e a arco de plasma com arame quente. A soldagem a arco de tungstênio com gás manual lida com pequenas áreas e bordas, e a soldagem a arco de tungstênio com gás automática com arame quente ou frio, junto com a soldagem a arco de plasma com arame quente, cobre áreas maiores.

O que entra no reparo depende de onde o reparo se situa e do que a ferramenta fará depois. Um reparo raso na área de trabalho de uma ferramenta na condição recozida precisa de um depósito temperável que responda ao ciclo de têmpera e revenimento da mesma forma que o metal base. Onde a cavidade é profunda o suficiente, parte dela pode ser preenchida primeiro com um metal de adição não temperável e acabada com um metal de adição de aço ferramenta, desde que a camada preenchida seja forte o suficiente para suportar o depósito de aço ferramenta sob carga de trabalho e a camada de aço ferramenta seja espessa o suficiente para que a diluição não consuma as propriedades de desgaste para as quais foi escolhida. Na superfície de trabalho de uma ferramenta na condição temperada e revenida, o depósito precisa manter suas propriedades após o revenimento, ou um depósito de revestimento duro que não precisa de tratamento térmico pode ser usado em vez disso. Um reparo em uma área não crítica pode receber um metal de adição não temperável em qualquer das condições. Quando o reparo é uma aresta de corte, o metal de solda é deixado fluir ou rolar sobre a aresta para que a aresta acabada possa ser retificada ou usinada sem deixar um entalhe ou uma depressão.

O martelamento é frequentemente necessário nesses reparos para reduzir distorção e impedir que os depósitos rachem. Só funciona quando é feito corretamente, e isso significa martelar enquanto o depósito ainda está vermelho. Martelamento insuficiente deixa a tensão na peça e martelamento excessivo racha o depósito.

O que o lado do fornecimento de aço precisa alinhar

Duas coisas no lado da compra decidem quão suavemente um reparo por soldagem ocorre. A primeira é a condição em que o aço chega. Uma matriz que será reparada por soldagem durante sua vida é mais fácil de trabalhar na condição recozida, e uma peça sobressalente que chega temperada e revenida restringe o procedimento à rota de transformação isotérmica. A segunda é a disponibilidade de metal de adição. Os depósitos temperáveis que correspondem a um grupo de aço ferramenta em serviço são produtos proprietários em vez de eletrodos revestidos padrão, e eles são abordados em nossa página sobre metais de adição para soldagem de aço ferramenta.

Fonte: ASM Handbook, Volume 6, Welding, Brazing and Soldering, ASM International, 1993.