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ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DE DIFERENTES FORNOS A VÁCUO NA TÊMPERA DO AÇO PARA TRABALHO A QUENTE AISI H13

Por: Carlos Humberto Sartori, Cassiano Martins de Miranda Horta e Piter Alves de Sousa

 

Análise comparativa da influência das características construtivas de diferentes fornos a vácuo na têmpera do aço para trabalho a quente AISI H13.

Fornos a vácuo com resfriamento por gás em alta pressão representam o meio de têmpera mais indicado para a obtenção das propriedades mecânicas necessárias, microestruturas adequadas e mínimas distorções de ferramentas. Entretanto, além da pressão de resfriamento ou do tipo de gás utilizado, também os detalhes construtivos do equipamento influenciam no resultado final do processo.

A prática do tratamento térmico de ferramentas fabricadas em aço para trabalho a quente, como AISI H13, em fornos a vácuo, requer um bom conhecimento do equipamento e das transformações de fase durante aquecimento e resfriamento da peça. Os ciclos de tratamento devem buscar a obtenção de microestruturas martensíticas, logicamente com presença muitas vezes inevitável de bainita, em toda a dimensão da ferramenta, evitando ao mesmo tempo, o excesso de tensões oriundas desta transformação;

Os parâmetros mais críticos do tratamento térmico de ferramentas em aço para trabalho a quente AISI H13 são: temperatura de austenitização e taxa de resfriamento a partir da temperatura de austenitização. A norma NADCA #207-2006 reconhece que existem diversos métodos para tratamento térmico de ferramentas em aço AISI H13, como banhos de sais e fornos com resfriamento em óleo sendo que, no entanto, a norma busca incentivar e definir parâmetros para o tratamento desse material em fornos a vácuo.
Dentre os principais requisitos da norma NADCA podemos destacar os seguintes fatores:

  • Equipamento: o tratamento deve ser realizado em fornos a vácuo com capacidade mínima de resfriamento com 5 bar de pressão de nitrogênio e controlador programável ligado a termopares que acompanham a carga, além de uma capacidade suficiente para resfriar a superfície da ferramenta a partir de 1.030 ºC com uma taxa mínima de 28ºC/min. O equipamento também deve ser capaz de realizar patamares isotérmicos a partir de informação dos termopares da superfície e núcleo, quando processos de têmpera interrompida forem solicitados.
    • Pré-aquecimentos: a norma recomenda velocidades de aquecimento inferiores a 220ºC/hora e patamares próximos a 650ºC e 845ºC antes da temperatura de austenitização definida;
    • Austenitização: deve ser o mais rápido possível até 150ºC, controlado pelo termopar do núcleo do corpo de prova, o qual simula a espessura média das peças dentro da carga.

A taxa mínima de resfriamento deve ser de 28ºC/min entre a temperatura de austenitização e 540ºC, controlada pelo termopar da superfície , isto é, a temperatura da superfície deve atingir 540ºC em menos de 18 minutos, conforme a figura 1. esse resfriamento rápido visa evitar a formação de perlita e impedir a precipitação de carbonetos pró-eutetóides em contornos de grão.

Uma recomendação muito utilizada e de grande importância na redução de tensões internas de transformação é a interrupção da têmpera quando a temperatura da superfície encontra-se ente 455ºC e 400ºC. Essa interrupção deve se manter durante 30 minutos ou enquanto a diferença entre a temperatura de superfície e a temperatura do núcleo for superior a 100ºC. após essa interrupção o resfriamento com gás pressurizado continua.

A norma ainda apresenta outras recomendações ligadas à montagem de carga, posicionamento de termopares e revenimentos que não serão abordados nesse texto.

Para o atendimento de todas essas importantes e sérias exigências de processo, o conhecimento básico da construção e funcionamento dos fornos a vácuo é essencial. Estes são capazes de produzir rápidas taxas de resfriamento pela injeção de gases inertes. Figura 2 mostra o esquema típico de um forno a vácuo com resfriamento sob pressão.

Sabemos que nos processos em fornos a vácuo conduzidos acima de 850ºC o aquecimento utilizado é sob vácuo. O calor é transferido das resistências até a superfície da peça através de radiação, da superfície para o núcleo da peça a transferência ocorre por condução. Fazendo uma analogia, a transferência de calor por radiação ocorre através da luz, ou seja, podemos comparar as resistências de aquecimento com lâmpadas e as “paredes” de câmara quente com espelhos. Dessa forma fica clara a observação de que se alguma peça estivar à sombra de outra, essa não receberá a mesma quantidade de energia térmica da primeira.

A temperatura do gás durante o resfriamento é controlada pela geometria do trocador de calor e pela distribuição do fluxo de gás ao redor dos componentes.

O coeficiente de transferência de calor “h” para um determinado gás está relacionado à velocidade do gás “V” e sua pressão “P” através da equação:

H = C x ( V x P )n

Sendo “n” e “C” constantes dependendo do forno, tamanho da peça e configuração da carga.
Pela equação podemos verificar que o aumento de “P” ou de “V” provoca o mesmo efeito em “h”. no entanto, pelo ponto de vista técnico, aumentar a velocidade do gás exigirá muito mais do projeto do recirculador do que simplesmente efetuar o aumento da pressão. Para dobrar a velocidade do gás, a potencia do recirculador deve ser multiplicada por oito, enquanto que para dobrar a pressão de resfriamento, a potencia do recirculador deve ser multiplicada por dois.

A transferência de calor também é função das propriedades do gás inerte utilizado. O baixo custo do nitrogênio faz com que ele seja escolhido no lugar de gases mais eficientes, como hidrogênio e hélio, na maioria das aplicações, de têmpera a gás.

Outro ponto importante á a montagem de carga observando as possibilidades de fluxo do gás entre os componentes. Nos fornos com bicos injetores distribuídos, deve-se evitar que o perímetro da carga seja formado por placas que possam desviar o fluxo do nitrogênio, impedindo que este atinja diretamente as peças da região central e, nos fornos quadrados com sistema de comportas, evita-se colocar placas paralelas às comportas muito próximas a elas, pelo mesmo motivo já citado.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Para realização desse trabalho, três fornos a vácuo de têmpera distintos foram escolhidos para simular o tratamento térmico de ferramentas em aço AISI H13.

  • Forno ALD VKNQ 60/60/90, figura 3, o qual possui dimensões de carga útil de 600 x 600 x 900 mm, capacidade de 600 kg, zona quente quadrada com 12 resistências cilíndricas longitudinais e espessura do revestimento de 48 mm. A potência de aquecimento é de 120 kW e a pressão de resfriamento de até 10 bar com recirculador de 200 kW de potencia. O resfriamento é executado através de basculamento e abertura de comporta na parte inferior e superior do cesto, de modo que o fluxo de nitrogênio ora é de baixo para cima e ora é de cima para baixo.

 

  • Forno Degussa VKUQgr 60/60/90, figura 4, o qual possui dimensões de carga útil de 600x600x900 com 24 resistências cilíndricas distribuídas em 12 linhas longitudinais e espessura do revestimento de 40 mm. Potência de aquecimento de 130 kW, pressão de resfriamento de até 5 bar com recirculador de 110 kW de potência. O resfriamento é executado através da recirculação do nitrogênio que é retirado da câmara quente pelo centro das tampas frontal e traseira e, após passar pelo trocador de calor, impelido novamente conta a carga através de 64 bicos injetores
  • • Forno Ipsen Turbotreater H 54/48, (figura 5) o qual possui dimensões de carga útil de 920 x 760 x 1.220 mm, capacidade de 2.000 kg, zona quente redonda com 36 resistências em forma de placa com 100 mm de largura distribuídas em 6 arcos circulares por toda a extensão da câmara e espessura do revestimento de até 50 mm. Potência de aquecimento de 200 kW, pressão de resfriamento de até 10 bar com recirculador de 230 kW de potência.

O resfriamento é executado através da recirculação do nitrogênio que é retirado da câmara quente pelo perímetro da tampa frontal e, após passar pelo trocador de calor, impelindo novamente contra a carga através de 74 bicos injetores fixados em mufla de distribuição de gases por toda a parte cilíndrica da câmara e na tampa traseira.

 

Para a realização do experimento, foram utilizados corpos de prova de aço AISI H13 nas dimensões Ø100 x 15 mm com acabamento retificado, retirados da mesma barra com a composição química descrita na tabela 1.
Os corpos de prova acima descritos foram montados entre dois cilindros de dimensões Ø100×100 mm fabricados em aço SAE 1045 para assim simular uma peça com dimensões Ø100×215 mm.
O controle de temperatura entre a superfície e núcleo do conjunto foi realizado através da inserção de termopares, conforme nos mostra a figura 6.
Os corpos de prova foram carregados no centro da carga de cada um dos fornos e submetidos aos seguintes ciclos de tratamento térmico descritos nas tabelas 2, 3 e 4, objetivando-se faixa de dureza de 44 a 46 HRC.

A tenacidade foi avaliada em corpos de prova sem entalhe, com seção de 7x10x55 mm, conforme norma NADCA. Foram removidos seis corpos de prova de impacto de cada amostra tratada no conjunto definido. A escolha de corpos de prova de 7x10x55 mm e a metodologia de retirada das amostras foram realizadas com base na norma NADCA #207-97, conforme mostra a figura 7.

RESULTADOS OBTIDOS

Taxas de resfriamento.

As taxas de resfriamento entre a temperatura de austenitização (1.030ºC) e 540}C (tabela 5) foram determinadas através da análise dos gráficos de processo gerados pelos registradores dos equipamentos

Dureza superficial

A dureza foi verificada no topo dos corpos de prova de impacto. Os valores apresentados na tabela 6 apresentam a média de três pontos.

Tenacidade

A tabela 7 apresenta os resultados de impacto sem entalhe segundo NADCA #207-97 para cada um dos corpos de prova removidos das amostras tratadas nos três fornos a vácuo que foram escolhidos para esse trabalho.

 

Micrograficas (Nital 3%-200x)

Para o ensaio metalográfico foram escolhidas amostras retiradas dos pontos 1, 3 e 6 (borda, meio e borda) do corpo de prova padrão. As micrografias estão apresentadas nas figuras 8, 9 e 10 abaixo.

 

 

DISCUSSÃO

A tenacidade do aço ferramenta AISI H13 é uma propriedade chave para aplicações como forjamento e fundição sobre pressão, onde a obtenção de microestruturas mais tenazes irá promover ganhos em relação à fadiga térmica e evitarão ocorrências de trincas frágeis em uso.

Para que a tenacidade do aço AISI H13 seja otimizada, as recomendações fornecidas principalmente em normas como a NADCA devem ser seguidas. A taxa de resfriamento é sem dúvida o ponto de maior atenção, onde o diagrama de resfriamento contínuo do aço AISI H13 indica que a precipitação de carbonetos próeutetóides começa aproximadamente a 787ºC, cerca de 1 minuto após o início do resfriamento.

A curva de início da formação de bainita começa a partir de 15 a 20 minutos, portanto qualquer descuido pode gerar microestruturas ou precipitações indesejáveis. A taxa de resfriamento de 28ºC/min foi obedecida em todos os ciclos desenvolvidos para cada um dos equipamentos avaliados nesse trabalho e os resultados de tenacidade ao impacto avaliados com o uso de corpos de prova sem entalhe demonstram que os processos de têmpera desenvolvidos para os três equipamentos distintos foram adequados para obtenção de valores recomendados pela NADCA #207-97 em toda a extensão das amostras.

As microestruturas verificadas estão de acordo com o especificado pela NADCA, apresentando martensita revenida e ausência de bainita (que é permitida), perlita, austenita retida e precipitação excessiva. As durezas obtidas para as amostras ficaram propositalmente na mesma faixa de 45 HRc para comparação dos resultados de impacto e microestrutura.

Para o equipamento de maior dimensão,o Ipsen Turbotreater H54/48 cujo recirculador possui 230 kW de potência, a utilização de 3,6 bar de pressão de resfriamento de nitrogênio foi suficiente para gerar uma taxa de resfriamento de 42ºC/min.

Verifica-se que para a carga em questão (igual para todos os fornos) não somente a pressão de resfriamento foi considerada no desenvolvimento do processo de têmpera. A potência do recirculador que promove o transporte do gás aquecido para o trocador de calor e o retorno desse gás (resfriado) de volta para a carga é uma variável muito importante.

CONCLUSÕES

Após a realização das análises dos resultados obtidos, conclui-se que a utilização de pressões 3,6 a 5 bar foi suficiente para obtenção de valores de tenacidade e micro-estrutura recomendadas pela NADCA em amostras padrão (Ø100×215 mm) do aço AISI H13;

A definição de pressão a ser utilizada depende do bom conhecimento do equipamento, principalmente da potência do recirculador. Um processo desenvolvido em um dos equipamentos não pode ser simplesmente transferido para ouro usando como parâmetro somente temperatura e pressão de resfriamento.

Embora não seja tema desse trabalho, a utilização de têmpera interrompida consiste no método mais seguro de tratamento térmico de ferramentas de grande porte, onde é possível acelerar ao máximo o resfriamento até temperaturas acima do início da transformação martensítica para evitar precipitações indesejáveis, e manter posteriormente um patamar isotérmico para evitar excessivas tensões de transformação.

 

Carlos Humberto Sartori – Engenheiro Metalurgista e Mestre em Engenharia de Metalúrgica e Materiais. Atua como Coordenador da Célula Ferramentas da Bodycote Brasimet Processamento Térmico Unidade de São Paulo.
Cassiano Martins de Miranda Horta – Engenheiro Mecânico. É supervisor de manutenção de fornos a vácuo da Bodycote Brasimet Processamento Térmico Unidade de São Paulo.
Piter Alves de Sousa – Tecnólogo em Processo Metalúrgico. É responsável pela Engenharia de Aplicação na unidade de São Leopoldo da Bodycote Brasimet Processamento Térmico.

 

 

FONTES DE CONSULTA

  • NADCA Die Materials Committee; NADCA’s Recommended Procedures for H-13 Tool Steels. Part II – Vacuum Heat Treatment of H-13 Tool Steel, 1997.
    • NADCA Die Materials Committee; Special Quality Die Steel & Heat Treatment Acceptance Criteria for Die Casting Dies, 2006.
    • Abar Ipsen; Abar Ipsen “U” Training Manual, Vacuum Furnace Terminology and Units of Measure, p 9-10, 2001.
    • Ruffle, T. W.; Byrnes Jr, E. R.; Queenching in Vacuum Furnaces. Heat Treatment of Metals, p. 81-87, 1979.
    • Wallace, J. F; Schwan , D.; Improved Life of Die Casting Dies of H-13 Steel by Attaining improced Mechanical Properties and Distortion Control During Heat Treatment. Internal Report US Department of Energy, p. 3. 1-3.17, 1998.

 

Fonte Revista Ferramental

 

 

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