O tratamento térmico visa a modificar as propriedades mecânicas, elétricas e magnéticas de ligas ferrosas e não ferrosas e, conforme norma ABNT 8635, definido como o “processo de aquecimento, manutenção e resfriamento”. Esta segunda parte de processos térmicos a vácuo descreve a têmpera a vácuo de um bloco de aço da classe trabalho a quente AISI H13, dimensões 406x406x406 mm, com termopares monitorando todas as faces e o núcleo.
Os aços ao cromo da classe trabalho a quente têm excelentes resistência a impacto em altas temperaturas, resistência ao amolecimento durante exposição a altas temperaturas e resistência à fadiga térmica. Essas propriedades são atendidas pelo uso de aço médio carbono e relativa alta concentração de cromo e outros fortes elementos formadores de carbonetos. O médio carbono desse tipo de aço promove tenacidade, proporciona boa resistência em alta temperatura pelo revenimento com precipitação fina e estável dispersão de carbonetos de cromo e vanádio. Os altos teores em elementos de liga contidos proporcionam excelente temperabilidade e permitem endurecimento de grandes seções com a utilização de adequadas taxas de resfriamento [1]. Muitos moldes e matrizes do segmento industrial de forjamento a quente, extrusão de alumínio, injeção de alumínio e plástico são construídos com o aço H13 em função da significativa temperabilidade, boa ductilidade, resistência a quente (amolecimento) e, em particular, resistência à fadiga térmica. O tratamento térmico final de moldes e matrizes construídos em aço para trabalho a quente como o H13, contendo normalmente 5% de Cr e significativa quantidade de outros elementos de liga, requer experiência e compreensão das mudanças de fase e tensões associadas que ocorrem durante o aquecimento e resfriamento. A Tabela 1 apresenta a composição química do aço AISI H13 para a faixa dos principais elementos químicos.
Tratamento Térmico
A modificação das propriedades dos aços é fundamental para o melhor desempenho. A maioria das falhas prematuras de ferramentas é resultado de um tratamento térmico incorreto [2]. Para a têmpera do aço H13 é necessária alta temperatura de austenitização para colocar todos os elementos de liga em solução sólida que estão como carbonetos secundários na condição recozido. A solubilização dos carbonetos é necessária para que os elementos de liga, durante o revenimento ou o trabalho, promovam a precipitação secundária e a resistência a quente do material, como consequência. E quanto mais ligado o aço, maior a quantidade de carbonetos finos que atuam como barreiras ao crescimento de grão e, assim, permitem a utilização de maiores temperaturas de austenitização [2].
Desenhar corretamente a rota dos parâmetros térmicos de aquecimento, manutenção e resfriamento é de vital importância para se obter uma completa e uniforme estrutura martensítica, evitar a formação de bainita, precipitação de carbonetos em contornos de grãos e reduzir a formação excessiva de tensões no endurecimento [3]. A etapa de resfriamento deve ser conduzida com cuidado, uma vez que responde pela qualidade dos resultados quanto à uniformidade microestrutural, dureza e deformação. Um equipamento como o forno a vácuo para esse tratamento térmico deve ser capaz de programar e controlar o resfriamento depois de concluída a etapa de austenitização. Os modernos fornos a vácuo operam com, pelo menos, três termopares, sendo um do forno (fixo) e outros dois móveis para monitorar as temperaturas de superfície e núcleo do bloco. A Fig. 1 mostra o forno a vácuo para carga de até 1000 kg, dimensões 600x600x900 mm e capacidade de resfriamento com gás nitrogênio sob pressão de até 12 bar, utilizado para a têmpera do bloco de aço AISI H13 neste estudo.
Os fornos a vácuo modernos permitem ainda a utilização de um recurso técnico para realizar a operação conhecida como “martêmpera”. Esse recurso poderia ser utilizado naquelas situações de peças com grandes dimensões e variações de forma, com elevado risco de produzir deformações de grandes extensões ou mesmo trincas. A Fig. 2 ilustra a rota de martêmpera, ou “isothermal quenching”, para o forno de têmpera a vácuo, inclusive padronizada pela norma NADCA (North American Die Casting Association – Associação Norte-Americana de Fundição Injetada) quando necessária a sua utilização.
O fluxo de gás durante o resfriamento tem uma influência crítica na taxa de resfriamento do forno, como mostrado na parte I publicada nesta revista na edição Out a Dez 2013. Os bicos injetores de gás nitrogênio dispostos 360° na retorta do forno e em torno do bloco de aço e da porta, promovem um fluxo turbulento de gás com “Número Reynolds” maior que 2300 para altos níveis de extração de calor e asseguram a mais alta taxa de resfriamento [5].
A Têmpera a Vácuo do Bloco de Aço
Os parâmetros de tratamento térmico para aços da classe trabalho a quente foram selecionados como recomendados pelos fabricantes do aço e a execução ditada por normas, tais como NADCA [6], General Motors (GM DC-9999-1) [7] e Ford Motor (Ford AMTD-DC2010) [8]. Essas normas estabelecem procedimentos para a execução dos parâmetros de tratamento térmico, como: a temperatura de austenitização; tempo à temperatura de austenitização; taxas de aquecimento e resfriamento; diferenças permissíveis entre a superfície e núcleo no aquecimento e resfriamento; métodos de colocação de termopares na peça; taxa mínima de resfriamento de 28°C/min na faixa de temperatura 1030 e 540°C; microestruturas aceitáveis ao final do processo e métodos para ensaios mecânicos, entre outros. Enfim, a “receita” do processo é bem definida e o forno a vácuo capaz de executar e reproduzir com sucesso esses parâmetros.
A têmpera a vácuo do bloco de aço H13 de dimensões 406x406x406 mm descrito neste texto e executada conforme os parâmetros recomendados pela norma NADCA nas seguintes principais condições:
– Faixa de temperatura monitorada no resfriamento: 1030 a 540°C;
– Pressão de gás nitrogênio no resfriamento: 9 bar.
Os termopares utilizados para monitorar e registrar o resfriamento foram localizados em todas as superfícies e no núcleo do bloco de aço H13. A Fig. 4 apresenta duas vistas do bloco de aço H13 montado dentro da câmara do forno a vácuo e os respectivos fios de termopares colocados nas superfícies de cinco faces (profundidade 15 mm) e no núcleo (profundidade 200 mm).
O tratamento térmico do aço H13 exige controle estrito de todas as etapas: aquecimento, austenitização e resfriamento. Uma vez colocado o bloco de aço no centro da câmara do forno e todos os termopares corretamente fixados, a porta do forno é fechada para dar início ao processo térmico, como descrito na parte I de texto publicado nesta revista.
A Fig. 5 destaca as curvas obtidas no monitoramento com seis (6) termopares ao total na faixa crítica de temperaturas de 1030 a 540°C. As duas curvas de resfriamento que se destacam para os extremos de mínima e máxima taxa de resfriamento nesse processo, estão localizadas na base do bloco – termopar 4, cor azul claro, face inferior do bloco – com elevada taxa de resfriamento alcançando ~190°C/min; e outro termopar, como seria esperado, no núcleo alcançando a menor velocidade de resfriamento de ~40°C/min. Esses resultados de taxa de resfriamento atendem às normas citadas acima, que regulam o processo térmico de têmpera a vácuo de blocos de aço AISI H13, confirmando, apesar de óbvio, que o núcleo resfria a uma velocidade muito menor que a superfície.
Esses resultados de monitoramento de resfriamento do bloco de aço na faixa de temperatura de 1030 a 540°C mostram também que o resfriamento sob pressão de 9 bar de gás nitrogênio tem “taxas de resfriamento”, para quaisquer pontos do bloco de aço, superiores às mínimas recomendadas pelas normas GM9999-1 e NADCA. O resfriamento do bloco nessas condições evita a transformação perlítica, a precipitação de carbonetos em contornos de grãos e a formação bainítica até determinada profundidade do bloco.
A Fig. 6 apresenta as curvas de resfriamento desse mesmo bloco de aço H13, realizadas em três diferentes tamanhos de câmara de forno a vácuo e sobrepostas ao diagrama TRC – Transformação em Resfriamento Contínuo – do aço H13. Observa-se que, nesse caso, todos os tamanhos de câmara de forno a vácuo indicados nessa Fig. 5 – de 500x600x900 até 1000x1000x1500 mm – apresentam curva de resfriamento com taxas superiores às recomendadas pela norma NADCA, ou seja, dentro do campo à esquerda, limitado pela curva na cor vermelha e entre as curvas “5” e “6” de resfriamentos.
Concluindo, a seleção correta, a construção e o monitoramento do processo térmico mostram que o resfriamento de um bloco de aço AISI H13, dimensões 406x406x406 mm, com têmpera a vácuo nas condições descritas acima, permitem obter a desejável microestrutura na seção transversal com vistas a potencializar as propriedades mecânicas interessantes à aplicação deste aço. E, finalmente, a têmpera a vácuo desse bloco atende às recomendações da norma NADCA.
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