1. Banho de sal para têmpera graduada de aço rápido
A China tem utilizado aquecimento por banho de sal e têmpera de aço rápido usando a fórmula 5-3-2 (fração de massa, %) da antiga União Soviética, que inclui 50BaCl2+30KCl+20NaCl. Esta fórmula tem uma temperatura de ponto de fusão de 560 ℃ e uma temperatura de serviço de 580 a 620 ℃.
Para ferramentas ou peças de aço HSS com tamanhos efetivos inferiores a 20 mm, podem ser alcançados altos níveis de dureza acima de 65HRC. As peças de aço HSS-E, por outro lado, podem atingir uma dureza ≥ 66HRC.
A indústria de ferramentas na China utilizou este processo de têmpera gradual para alcançar a excelência provincial, ministerial e nacional, demonstrando a sua grande vitalidade.
À medida que o tempo passa e a tecnologia avança, as pessoas perceberam a importância da velocidade de resfriamento e foi descoberto que a velocidade média de resfriamento de uma peça de trabalho de 800 a 1000 ℃ é inferior a 7 ℃ ⁄ s. Essa lenta velocidade de resfriamento resulta na precipitação de carboneto, o que afeta a dureza e outras propriedades do aço.
Como resultado, o sal de classificação à base de cálcio foi introduzido na China vindo da Europa e dos Estados Unidos a um custo significativo. Sua fórmula (fração de massa, %) é 48CaCl2+31BaCl2+21NaCl, com ponto de fusão de 435℃ e temperatura de serviço variando de 480 a 560℃.
Para simplificar a fórmula, algumas fábricas chinesas mudaram para 50CaCl2+30BaCl2+20NaCl. Esta alternativa tem um ponto de fusão ligeiramente superior ao dos sais tradicionais à base de cálcio, mas a temperatura de classificação permanece entre 480-560°C.
A antiga União Soviética introduziu pela primeira vez a tecnologia de banho de sal à base de Ca na década de 1940 e mais tarde partilhou-a com a China na década de 1950. Muitas fábricas fizeram experiências com isso na década de 1960.
Durante sua gestão em Guilin, de 1974 a 1978, o autor utilizou banho de sal à base de Ca. Porém, devido ao funcionamento pouco frequente do forno e à alta higroscopicidade do banho de sal, ele teve que interromper seu uso.
Algumas fábricas realizaram testes de campo sobre a taxa de resfriamento de banhos de sal graduados. Especificamente, a taxa de resfriamento de peças de φ40mm a 800-1000°C e 550°C é de 7°C/s, indicando que o tamanho efetivo pode ser totalmente endurecido abaixo de 40mm. Enquanto isso, uma série de peças de trabalho de φ25mm são resfriadas a uma base de cálcio de 500°C, e a taxa de resfriamento a 800-1000°C é de 9°C/s.
Sem dúvida, a taxa de resfriamento de peças de banho de sal à base de bário a 580-620 ℃ de 1000 a 800 ℃ é mais lenta do que a de peças de banho de sal à base de cálcio a 480-560 ℃.
Para peças com diâmetro efetivo de 20-40 mm, o sal à base de cálcio é preferível, mas desnecessário para tamanhos abaixo de 20 mm. O fator crucial é como controlar a temperatura do banho de sal abaixo de 600°C.
Para peças com diâmetro superior a 40 mm, o resfriamento com óleo pode ser aplicado primeiro, seguido pelo resfriamento com sal graduado e, em seguida, graduado em nitrato para garantir uma dureza de tratamento térmico de ≥65HRC.
2. Grau e tempos de têmpera
Após a têmpera, o aço rápido deve ser revenido para quatro finalidades:
① Para eliminar completamente o estresse de têmpera.
② Para decompor totalmente a austenita residual.
③ Para produzir o melhor efeito de endurecimento secundário.
④ Para alcançar as propriedades mecânicas abrangentes necessárias e desempenho ideal.
A temperatura de revenido recomendada está entre 540 e 560 ℃.
Quer seja usada têmpera em banho de sal ou têmpera a vácuo, recomenda-se usar banho de sal 100% KNO3 ou 100% NaNO3 por 1 hora.
Após cada processo de revenido, o aço deve ser resfriado à temperatura ambiente antes de iniciar o próximo processo de revenido.
Normalmente, o número de vezes que o revenido é realizado é três. Porém, nos casos em que o revenido for insuficiente, ou para peças de aço rápido de alto desempenho que tenham sido temperadas isotérmicas, quatro processos de revenido deverão ser realizados.
O grau de revenido é geralmente classificado em três níveis, baseado não no número de ciclos de revenido, mas na aparência metalográfica.
Nível I (Adequado): Caracterizado pela presença de martensita preta temperada e metal duro salpicado no metalógrafo.
Nível II (Intermediário): Áreas brancas ou depósitos de carboneto estão presentes em regiões isoladas.
Nível III (Inadequado): A maior parte do campo de visão compreende áreas brancas e os grãos temperados são fracamente visíveis.
Se forem necessários tratamentos de reforço de superfície, como tratamento a vapor e tratamento com oxigênio e nitrogênio, na faixa de temperatura de revenido, um grau de revenido de Grau II pode ser alcançado, resultando em economia de energia.
O grau de revenido deve ser avaliado por ataque ácido com solução de álcool ácido nítrico a 4% a uma temperatura de 18 a 25°C por 2 a 4 minutos e observado em microscópio de 500x com base no pior campo de visão.
3. Tratamento secundário de bainita
As fábricas de ferramentas costumam usar um tratamento de bainita para melhorar a tenacidade, a resistência e o desempenho de corte das ferramentas. Isso envolve classificar o banho de sal neutro entre 480°C e 560°C e transferi-lo imediatamente para um banho de nitrato de 240°C a 280°C para tratamento isotérmico por 1 a 2 horas.
O tratamento secundário de bainita é especificamente adequado para fresas superdimensionadas com formatos extremamente complexos, como fresas e fresas com módulo > 15, e fresas perfuradas com espessura efetiva > 100mm.
Durante o primeiro tratamento com bainita, é produzida uma quantidade de bainita de 40% a 50% menor, juntamente com austenita residual e uma pequena quantidade de carboneto.
Durante o primeiro revenido, a austenita residual é transformada em martensita em grandes quantidades.
Após o primeiro revenido, a ferramenta não deve ser resfriada ao ar. Em vez disso, deve ser transferido diretamente para o banho de sal entre 240°C e 280°C para tratamento isotérmico por um período específico. Isto evitará a transformação da austenita retida em martensita e em bainita, que é conhecido como tratamento secundário de bainita.
Este método pode ajudar a reduzir e prevenir a tendência de trincas em ferramentas grandes e complexas.
O processo de tratamento secundário com bainita é mais complexo, mas altamente benéfico na prevenção de rachaduras em ferramentas grandes durante o tratamento térmico.
O processo de revenido deve ser aquecido lentamente e cada revenido deve ser realizado a uma temperatura abaixo de 500 ℃.
Não é permitido soprar após o revenido; é melhor resfriar a ferramenta estaticamente.
Como resultado do tratamento secundário com bainita, quatro rodadas de revenido podem não ser adequadas e um revenido adicional deve ser realizado.
4. Tratamento térmico da ferramenta de soldagem por fricção
A soldagem por fricção é amplamente utilizada tanto no mercado interno quanto no exterior para produzir cortadores de haste com diâmetro superior a φ10 mm, pois ajuda a economizar aço rápido caro.
Durante a soldagem por fricção, é gerada uma temperatura superior a 1000 ℃, resultando em uma grande diferença de temperatura dentro de uma pequena área em ambos os lados da solda.
O resfriamento direto do ar após a soldagem leva à transformação da martensita no lado do aço rápido da solda, enquanto a transformação da perlita ocorre apenas no lado resfriado a ar do aço estrutural.
A diferença no volume específico induz estresse organizacional significativo, levando a rachaduras.
Para evitar isso, a ferramenta soldada deve ser imediatamente colocada em um forno de 650 ~ 750 ℃ para isolamento térmico após a soldagem.
Assim que o tanque de carga estiver cheio, a ferramenta deve ser mantida por 1 a 2 horas para recozimento.
A ferramenta deve ser removida do forno para resfriamento ao ar quando a temperatura do forno cair abaixo de 500 ℃.
Se o volume de produção for muito alto para seguir o processo acima, a soldagem deverá ser mantida a uma temperatura de preservação de calor de 740 horas. Este processo permitirá que ambos os lados da solda sejam totalmente transformados em perlita+sorbita, e a ferramenta poderá então ser resfriada a ar e recozida novamente.
O debate sobre a têmpera de ferramentas de soldagem por fricção está focado em superaquecer a solda. Os argumentos a favor do superaquecimento da solda incluem melhorar a estrutura original, melhorar a qualidade e a resistência da soldagem e fazer uso total do aço rápido. Por outro lado, os argumentos contra o superaquecimento da solda incluem o risco de extinção de rachaduras e possíveis disputas de qualidade.
Desde o sucesso da têmpera a vácuo das ferramentas de soldagem, as dúvidas sobre as trincas causadas pelo superaquecimento da solda após a têmpera em banho de sal diminuíram. No entanto, o autor insiste que o superaquecimento da solda não leva diretamente à extinção de fissuras, com base na prática e experiência.
Atualmente, a maioria das fábricas de ferramentas utiliza aquecimento 15 a 20 mm abaixo da costura de solda, o que resulta em comprimento de corte reduzido de aço rápido, desperdício e práticas antieconômicas.
É estritamente proibido decapagem de ferramentas aquecidas por super solda. Nos casos em que a decapagem é necessária, a concentração de ácido, o tempo de decapagem e a temperatura do ácido devem ser cuidadosamente controlados para evitar a fragilização por hidrogênio.
5. Tratamento criogênico
A microestrutura das ferramentas de aço rápido após têmpera e revenido normais consiste em martensita revenida, vestígios de austenita retida e carboneto.
O autor acredita que é desnecessário eliminar os vestígios remanescentes (<5%) de austenita retida.
Após têmpera e revenido normais a 550-570 ℃ por 1 hora, 3 vezes, o tratamento térmico de ferramentas de aço rápido atingiu seu nível ideal, e o tratamento de resfriamento profundo adicional pode fazer mais mal do que bem.
A austenita é uma fase muito macia na estrutura de aço, com dureza de apenas cerca de 200HBW. Comparado com a dureza desejada de 65-66HRC para ferramentas de aço rápido, fica claro que um excesso de austenita retida não tornará as ferramentas mais duras.
Através de experimentos, o estudioso japonês Ichiro Iijima e sua equipe descobriram que a austenita residual abaixo de 15% não reduziria a dureza da ferramenta, mas poderia aumentar a plasticidade e a tenacidade do aço.
Portanto, a redução da austenita residual através do tratamento criogênico seria prejudicial à tenacidade da ferramenta.
Da década de 1970 ao início do século 21, muitas fábricas de ferramentas nacionais realizaram tratamento a frio e tratamento criogênico em cortadores de aço rápido.
Houve numerosos fracassos e apenas alguns sucessos.
Embora nossa empresa realize tratamento criogênico há vários anos, não obtivemos resultados significativos. Portanto, o equipamento foi colocado em espera.
Quando comparados com outros materiais superduros, a vantagem mais significativa das ferramentas de aço rápido é sua tenacidade ligeiramente superior.
O tratamento criogênico pode diminuir a austenita residual, mas também reduz a tenacidade das ferramentas.
Não é como esfregar sal na ferida?
Está provado que a retenção de menos de 5% de austenita é inofensiva para o uso da ferramenta.
A dureza do aço HSS é 65-66HRC, enquanto a do aço HSS-E é 66-67HRC.
Em condições semelhantes, quanto maior a dureza, menor será o desgaste da ferramenta e maior será a durabilidade da ferramenta.
A partir disso, podemos concluir que a austenita retida, que reduz a dureza, não é bem-vinda.
No entanto, a vida útil de uma ferramenta não é determinada apenas pela sua dureza.
A dureza excessiva aumenta a fragilidade, o que não prolonga a vida útil da ferramenta, mas a reduz.
Vários fatores afetam a vida útil das ferramentas de aço rápido.
Portanto, não é aconselhável buscar cegamente alta dureza.
Nosso princípio é buscar alta dureza e, ao mesmo tempo, garantir a resistência adequada.
Com base na experiência, o tratamento criogénico não aumenta a dureza das ferramentas totalmente temperadas, nem melhora a sua dureza térmica. Pelo contrário, pode diminuir a sua resistência.
No entanto, algumas fábricas de ferramentas nacionais adicionaram tratamento criogênico a certos cortadores, como cortadores de barbear e fresas de módulos pequenos, a fim de eliminar o estresse e estabilizar seu tamanho. Isto é particularmente importante uma vez que ambas as ferramentas estão centradas no seu diâmetro interno, e é crucial que isto não mude durante a utilização. Além disso, algumas ferramentas de medição de alta qualidade e moldes feitos de aço rápido podem se beneficiar do tratamento criogênico para estabilizar seu tamanho.
Após têmpera e revenido normais, as estruturas de aço rápido normalmente retêm vestígios de austenita. Embora isso não afete significativamente as propriedades mecânicas ou o uso das ferramentas, há algum debate sobre se o tratamento criogênico é necessário.
Para determinar se o tratamento criogênico é benéfico, é necessária uma grande quantidade de dados experimentais e exemplos de aplicação. No entanto, as experiências do autor levaram-nos a ter uma visão oposta. É importante notar que existem centenas de fabricantes de ferramentas na China que não implementaram o tratamento criogênico.
Embora o tratamento criogénico seja frequentemente apresentado como uma realização de investigação científica ou um produto de laboratório, a sua promoção não tem sido amplamente bem sucedida. O chamado “novo processo de têmpera” pode ser uma tendência de curta duração.
O processo em questão continua maduro e tem sido amplamente utilizado na produção em massa em diversas ocasiões.
“A prática é o único critério para testar a verdade”, como diz o ditado, e qualquer novo processo deve provar o seu valor através da produção prática.
Conclusão
O tratamento térmico do aço rápido pode parecer complicado, mas com uma abordagem séria e ousada, juntamente com prática repetida e inovação ousada, podemos certamente produzir ferramentas de corte duradouras e de alta qualidade e dar contribuições significativas para a revitalização da indústria mecânica. .
