Tratamento térmico e modificação de superfície de aço 45# – Fornecendo soluções de tubulação

O aço 45# é um tipo de aço relativamente difícil de manusear devido ao seu perigoso tamanho de trinca de têmpera. Explique o tratamento térmico e o tratamento de superfície do aço 45# sob múltiplas perspectivas e enfatize a importância dos agentes de têmpera no tratamento térmico. Todos os dados vêm da linha de produção e são caracterizados por alta operabilidade e praticidade econômica.

1. Introdução

O aço 45# é um dos tipos de aço mais comumente usados. Quase todos os trabalhadores de tratamento térmico já lidaram com isso. A maioria dos colegas pensa que o aço 45# é um “rival” difícil de lidar. O endurecimento com água leva facilmente a rachaduras, mas o endurecimento com óleo não é difícil. Este aço é usado principalmente para fazer várias peças forjadas. Grandes peças forjadas podem ser usadas no estado normalizado e também temperadas; Geralmente, pequenas peças forjadas são pagas. Dependendo dos requisitos, a têmpera também pode ser realizada em temperaturas baixas ou médias.
Com o desenvolvimento da economia nacional e a procura de uma economia orientada para a exportação, o aço 45# não é apenas utilizado para produzir diversos componentes em engenharia mecânica, mas também para produzir moldes simples, brocas de corte lento, matrizes e outras ferramentas de corte. Também pode ser usado para fazer diversas ferramentas de metal, como alicates, chaves inglesas, elevadores, martelos e diversas ferramentas de máquinas agrícolas e de jardim. Abaixo está uma breve introdução ao processo de tratamento térmico e processo de modificação de superfície do aço 45# para referência dos colegas da indústria.

2. Composição química, ponto crítico de tratamento térmico e processo geral do aço 45#

A composição química do aço 45# é mostrada na Tabela 1 e os pontos críticos para tratamento térmico são mostrados na Tabela 2.
Tabela 1 Composição química (fração mássica) do aço 45# (%)

Tabela 2: Ponto crítico de tratamento térmico do aço 45# (℃)

O processo geral de tratamento térmico para aço 45# é o seguinte:

• 1) Tratamento de amolecimento bruto: 740-760°C × 4-6 horas, a uma taxa de resfriamento de 50-100°C/h, o forno é resfriado a 600°C e descarregado para resfriamento a ar.
• 2) Normalizar: Aquecimento a 850-870°C, resfriamento a ar após a descarga.
• 3) Têmpera: Aquecimento e têmpera a 840-860°C, revenido a 450-550°C.
• 4) Têmpera + Revenimento: Aquecimento e têmpera a 820-840°C, selecionando o refrigerante apropriado de acordo com a situação real. O processo de revenido é determinado pelas propriedades mecânicas exigidas da peça.

3. Têmpera do aço 45# em água fervente

A temperabilidade do aço 45# é baixa, com um diâmetro crítico de têmpera de 10-15 mm quando resfriado com água da torneira e não mais que 25 mm quando resfriado com água salgada. Se o tamanho da peça exceder o diâmetro crítico de têmpera, o efeito de têmpera será fraco e, quanto maior o tamanho, pior será o efeito. Portanto, no tratamento de têmpera de peças de seção transversal grande feitas de aço 45#, não é alcançada uma microestrutura uniforme ao longo da seção transversal, o que não pode alcançar o efeito de têmpera e revenido. Para melhorar esta situação, geralmente a temperatura de aquecimento é aumentada ou é utilizado um refrigerante intensivo. O primeiro pode levar à descarbonetação oxidativa e alto consumo de energia, enquanto o último é propenso a deformações e fissuras. Portanto, a normalização é frequentemente usada como tratamento final para peças que foram temperadas além do diâmetro crítico. Porém, a taxa de resfriamento não é apenas lenta, mas também afetada pelo ambiente, temperatura e temperatura, o que dificulta o controle da dureza e a garantia da qualidade da normalização.
Alguém na China estudou o processo de tratamento térmico usando têmpera com água fervente em vez de têmpera e revenido e obteve sucesso. A seguir está uma breve introdução: O wC do aço 45# usado no experimento é de 0,46%, foi aquecido em um forno de câmara e as especificações da amostra são φ 50 mm × 150 mm, φ 70 mm × 210 mm, φ 80 mm × 210 mm, aquecido a 840°C, resfriado com água fervente a 100°C, sua dureza foi medida ao longo de três linhas retas uniformemente espaçadas que passam pelo centro de sua seção transversal de 1/2 comprimento. Os resultados são mostrados na Tabela 3.

• 1) O aço de seção transversal grande 45# é temperado em água fervente, e a dureza e a microestrutura ao longo de toda a seção transversal são relativamente uniformes. Devido à temperatura constante da água em ebulição de 100 °C, as propriedades mecânicas não são influenciadas por fatores ambientais e sazonais.
• 2) A têmpera do aço 45# em água fervente pode substituir a normalização normal como o tratamento térmico final da peça de trabalho. A temperatura de normalização pode ser reduzida em 15-20°C e as propriedades mecânicas abrangentes são excelentes.
• 3) Ao escolher adequadamente a temperatura da água de resfriamento, a têmpera de peças de aço 45# de grande seção em água fervente pode substituir completamente o processo de têmpera e revenido, encurtando assim o ciclo de produção, economizando energia e aumentando a eficiência.

Tabela 3 Distribuição de dureza do aço 45# após têmpera em água fervente

4. Têmpera e resfriamento de aço 45#

Agora usando aço φ 12,5mm × 60mm 45# como exemplo, com aw_C de 0,46% e uma temperatura de aquecimento de 840 °C, os resultados de têmpera são discutidos em vários meios de comunicação.

• (1) Quando a têmpera em água é concluída a 840°C, a transformação de perlita e ferrita é inibida devido à alta taxa de resfriamento (cerca de 540°C/s). Até 300 °C, a austenita super-resfriada se transforma em uma estrutura martensítica. As propriedades desta estrutura: R_M ≥ 1100 MPa, R_eL ≥ 720 MPa, A ≥ 7%, Z ≥ 15%, dureza 52-60 HRC.
• (2) Após austenitização a 840 °C, o óleo é imediatamente temperado em óleo N32. Devido à lenta taxa de resfriamento (aproximadamente 240 °C/s), a austenita super-resfriada inicialmente não muda. Somente a 450 °C é que parte da austenita se transforma em bainita e, quando esfria até cerca de 300 °C, a decomposição da austenita para. À medida que o resfriamento continua, o restante da austenita super-resfriada se transforma em martensita. A estrutura à temperatura ambiente é <20% bainita + 80% martensita + uma pequena quantidade de austenita retida.
• (3) A austenita super-resfriada e resfriada a ar começa a precipitar ferrita quando resfriada a cerca de 700 °C, para em 650 °C e a austenita restante começa a se transformar em perlita. Por volta de 600 °C toda a austenita se transforma em perlita. A microestrutura à temperatura ambiente é 30% ferrita + 70% perlita e possui dureza de 220-250 HBW.
• (4) A fim de explorar plenamente o potencial do aço 45#, muitos novos meios de têmpera e resfriamento foram desenvolvidos e introduzidos a partir de produtos proprietários, como solução aquosa de dois nitratos, agente de têmpera PAG, agente de têmpera de três nitratos, um agente de têmpera aquoso solução de cloreto de cálcio, uma solução aquosa de carbonato de sódio, um solvente orgânico e meios inorgânicos de têmpera e resfriamento à base de água.

5. Rachaduras no aço 45# endurecido não podem ser ignoradas

Pequenos pedaços de aço 45# são temperados usando técnicas convencionais e às vezes aparecem rachaduras “finas, curtas, planas e retas” semelhantes a ladrilhos. A profundidade dessas trincas é de aproximadamente 1% a 10% do diâmetro da peça temperada. Se a superfície da peça de trabalho for áspera ou apresentar arranhões, também poderão ocorrer rachaduras grosseiras. Esta característica regular de fissura “fina, curta, plana e reta” é chamada de fissura.
Durante muitos anos, as pessoas não compreenderam completamente a natureza das fissuras, mas a sua investigação nunca parou. A pesquisa mostrou que as rachaduras não estão diretamente relacionadas às matérias-primas, mas sim ao fato de o tamanho da peça estar em risco de rachar e o teor real de carbono do aço também ter influência. Meus colegas locais trabalharam muito e publicaram artigos práticos esclarecedores, que mostro na Figura 1.

Figura 1 Relação entre a taxa de trinca do aço 45# durante a têmpera e o tamanho da seção transversal da peça
Na Figura 1 pode-se observar que as fissuras começam em 5 mm e aumentam à medida que o tamanho da seção transversal da peça aumenta, com um valor de pico de 6-8 mm. Em 7mm a taxa de têmpera é de quase 100%. Após 9 mm, as fissuras são bastante suaves, enquanto a 12 mm praticamente não fissuram. Esta conclusão é amplamente aceita pelos colegas na China. Por que ocorre esta “dissuasão perigosa” específica? Uma visão relativamente consistente é que quando a peça de aço 45# é totalmente temperada, a tensão superficial é uma tensão de tração. Quando esta tensão de tração excede a resistência à ruptura do material, começam as fissuras na superfície. Peças de trabalho com φ5mm – φ8mm são propensas a rachaduras, e é exatamente por isso. Quando o diâmetro da peça é ≤ 4 mm, devido à pequena seção transversal e à pequena diferença de temperatura entre a superfície e o centro, a tensão de tração de têmpera também é pequena e a tensão de tração superficial não excede a resistência à ruptura do material, então não é fácil de quebrar; Quando o diâmetro é maior que 8 mm, embora a tensão residual de têmpera aumente devido ao aumento da seção transversal, o pico de tensão de tração está longe da superfície da peça de trabalho e a tensão de tração superficial ainda não excede a resistência à ruptura do material em desta vez. À medida que o tamanho da peça continua a aumentar além do diâmetro crítico de têmpera do aço, a superfície da peça terá tensão de compressão sem têmpera, tornando-a menos suscetível a têmpera e trincas.
Outra razão importante para a fácil quebra da água temperada no aço 45# é a mudança repentina no ponto crítico. A principal base para a formulação de processos de tratamento térmico é baseada na sua composição química e ponto crítico, enquanto o ponto crítico do aço é determinado principalmente pelo teor de carbono. A faixa de teor de carbono do aço padrão nacional 45# é muito grande, e o ponto crítico medido é muito diferente do ponto crítico nominal do manual, o que traz grande dificuldade na formulação do processo de tratamento térmico.
A Figura 2 é uma curva baseada na situação real. Na Figura 2 pode-se observar que os pontos críticos são Ac₁ e Ar₁ do aço não diminui gradualmente à medida que o teor de carbono do aço aumenta, mas há flutuações significativas em uma pequena faixa, ou seja, uma mudança repentina no ponto crítico. Por exemplo, o AC₃ Ponta feita de aço 45# com aw_C de 0,45% -0,50% mostra um valor extremamente baixo, cerca de 760°C, e o processo de têmpera ainda é formulado de acordo com os 780°C + 50°C mencionados no livro, o que é claramente um problema.
Como evitar fissuras de tamanho perigoso por têmpera? Existem agora várias medidas:

• 1) Têmpera subcrítica. A temperatura de têmpera original é reduzida de 830-840°C para 780°C.
• 2) Escrevendo sobre refrigerantes de têmpera. Muitos colegas na China produzem o seu próprio CaCl com base nos seus próprios produtos₂N / D₂Com₃duas soluções de nitrato, três soluções de água com nitrato ou compre produtos de empresas como Nanjing Kerun e Liaoning Hexing. Isto não só resolve o problema das fissuras, mas também poupa energia, protege o ambiente e é mais eficiente, o que é verdadeiramente notável.

Fig. 2 Mutação de ponto crítico de aço de médio carbono

6. Tratamento de superfície e tratamento térmico químico de aço 45#

6.1 Tratamento de escurecimento de peças pequenas de aço 45#

Fórmula de licor negro: NaOH (600-700 g/l) + NaNO₂ (150-250g/L). Temperatura de trabalho 138-140°C, tempo de escurecimento 45-60 minutos.
Verificação da qualidade do escurecimento:

• 1) Inspeção visual. Coloque a peça sob uma lâmpada fluorescente e observe-a a olho nu a uma distância de 300 mm. A cor deve ser preta uniforme e não deve haver manchas visíveis.
• 2) Teste de vazamento. Mergulhe na solução padrão CuSO₄ · 5 horas₂O por 1 minuto (temperatura ambiente) e é qualificado se não houver precipitação de Cu.
• 3) Teste de capacidade antiferrugem. Coloque a parte enegrecida em uma solução aquosa de NaCl 30 g/L a 20°C por 10 minutos e exponha ao ar acima de 20°C por 2 horas. Visualmente é considerado adequado se estiver totalmente isento de ferrugem.
• 4) Teste de resistência à corrosão. Colocar a parte enegrecida em solução de ácido oxálico 50g/L a 20°C por 8 minutos e retirar. Se a cor da superfície for marrom, cinza escuro ou verde escuro, ela é considerada qualificada.
• 5) Teste de força. Esfregue suavemente com a mão 20 vezes sem deixar arranhões, isso é considerado qualificado.

6.2 Tratamento de fosfatização de uma peça de aço 45#

Na década de 1990, a Zhejiang Tool Factory e outras unidades produziram um grande número de machos e matrizes de aço 45# para investidores estrangeiros. Após têmpera e revenido, foi necessário o tratamento de fosfatização, e o processo foi o seguinte:
30-35g/L de sal de ferro di-hidrogenofosfato de manganês (sal Mazif), 80-100g/L de nitrato de zinco Zn (NÃO₃) ₂ · 6 horas₂O, ácido livre 5-7 pontos, ácido total 60-80 pontos, temperatura 60-70°C, tempo 10-15 min.
Verificando a qualidade da fosfatação:

• 1) Inspeção visual. A superfície do filme de fosfatação deve ser cinza ou cinza escuro quando visto a olho nu, com cristalização uniforme, densa, sólida e completa.
• 2) Teste de resistência à corrosão. (1) Método de imersão. Primeiramente, mergulhe a parte fosfatada em solução aquosa de NaCl a 3% e mantenha em temperatura ambiente por 15 minutos. Em seguida, retire-o e enxágue abundantemente com água da torneira. Deixe secar naturalmente por 30 minutos ou seque rapidamente com ar comprimido. Se não houver manchas de ferrugem na superfície, é considerado adequado. (2) Método de gotejamento. Aspire uma pequena quantidade da solução componente (71,05 g CuSO₄ · 5 horas₂O + 132,9 g de NaCl sólido + ácido clorídrico 0,1 N 13,2 ml + 986 ml de água destilada) e deixe cair na superfície da peça de fosfatação por 1 minuto em temperatura ambiente sem causar descoloração, o que é qualificado se aplica.

Como a maioria das peças de aço 45# são revenidas a uma temperatura baixa abaixo de 250°C após a têmpera, a temperatura do tratamento de superfície deve ser inferior a esta temperatura. Além do escurecimento e fosfatação mencionados acima, algumas unidades também utilizam molibdênio e tratamento de sulfurização.

6.3 Exemplos de aplicação de tratamento térmico químico para peças de aço 45#

• (1) Ferramenta de corte a quente de aço 45#, perfuração completa 910-930°C × Após 4 horas de perfuração completa, deixe esfriar até a temperatura ambiente no forno; Têmpera em banho de sal, 820-840 °C × 0,5 min., Têmpera em água salgada, 210-230 °C × 3 horas de revenido, dureza superficial 1290-1700 HV.
• (2) A perfuração líquida de moldes de aço 45# pode obter bons resultados em moldes de trefilação a frio para tubos de aço sem costura, moldes de haste de silício, estênceis de tijolos esmaltados, etc. Processo de boração líquida comum: 920-940 °C × 5-6 h, temperado após a descarga do forno, revenido em baixa temperatura.
• (3) Co-infiltração sólida de Ni-B em molde de aço 45# A co-infiltração de Ni-B é superior à infiltração de B único. O processo envolve o revestimento químico de Ni, formando um revestimento denso e liso na superfície do metal, seguido de infiltração de B. Devido à difusão e infiltração mútua de Ni, B e Fe, podem ser obtidos revestimentos e camadas de infiltração ideais que atendam aos Melhore a resistência da ligação, o comportamento de fadiga a frio e a quente, a resistência à oxidação em altas temperaturas e a resistência ao desgaste e reduza a fragilidade da infiltração B individual.
• (4) A cabeça de estampagem a frio feita de aço angular de liga Ni-P quimicamente depositado e chapa de aço é feita de aço 45 #, que é aquecido e temperado a 830 ° C e temperado em baixa temperatura para atingir uma dureza de 50-54 HRC. Após o processamento em um produto acabado, ele é então depositado com uma liga Ni-P, com uma espessura de camada de deposição de 25-30 μm. A dureza superficial pode chegar a 1000HV e a vida útil do carimbo pode ser superior a 6000 peças, aumentando a vida média em mais que o dobro.

7. Conclusão

• 1) Como o aço 45# tem a propriedade de mutação de ponto crítico, ao manusear peças pequenas, deve-se prestar atenção ao conteúdo real de carbono do aço 45#.
• 2) Não use solução aquosa convencional de NaCl para temperar peças pequenas feitas de aço 45#. Recomenda-se o uso de solventes orgânicos ou inorgânicos que sejam endurecidos e não propensos a rachaduras.
• 3) A têmpera do aço 45# em água fervente é um processo de desenvolvimento promissor.
• 4) Aproveite ao máximo o potencial do aço 45#, que pode ser usado para fabricar vários componentes e ferramentas de engenharia.
• 5) As peças de aço 45# podem ser submetidas a vários tratamentos de superfície e tratamentos térmicos químicos. Independentemente do tratamento utilizado, melhorar a qualidade do produto da nossa unidade é princípio absoluto.