Otimizando o Desempenho de Moldes para Trabalho a Quente: Técnicas Avançadas de Tratamento Térmico e Superficial

O desempenho do molde é influenciado pela tecnologia de tratamento térmico, pois a tenacidade do aço do molde pode ser aumentada, prolongando significativamente sua vida útil. As condições de trabalho de moldes para trabalho a quente são severas e complexas: eles entram em contato direto com o tarugo aquecido ou metal líquido, sendo repetidamente aquecidos e resfriados durante todo o processo, além de sofrerem cargas de choque. Por isso, os requisitos de desempenho do aço para moldes a quente são extremamente rigorosos. Podemos melhorar os indicadores de desempenho do molde através de tratamento térmico e tratamento de superfície, promovendo o aumento da vida útil.

O que é tratamento térmico?

Tratamento térmico é um processo de processamento térmico de metal. Refere-se ao aquecimento, manutenção de temperatura e resfriamento de materiais no estado sólido para obter a estrutura e propriedades desejadas.

O tratamento térmico de metais é um dos processos importantes na fabricação mecânica. Diferente de outros processos, geralmente não altera a forma nem a composição química global da peça. O tratamento térmico visa conferir ou melhorar o desempenho da peça alterando sua microestrutura interna ou a composição química da superfície. Ele melhora a qualidade intrínseca da peça, mudança geralmente invisível a olho nu.

Aço para moldes de trabalho a quente

O aço para moldes de trabalho a quente é usado para fabricar moldes que deformam metais em estado aquecido, incluindo matrizes de forja a quente, matrizes de extrusão a quente, matrizes de fundição sob pressão e matrizes de forja de alta velocidade.

Condições de trabalho e requisitos de desempenho do aço para moldes de trabalho a quente

O molde de trabalho a quente suporta grandes forças de impacto, a cavidade do molde entra em contato com metal de alta temperatura, sendo aquecido e resfriado repetidamente; suas condições de uso são severas. Para atender aos requisitos, o aço deve ter: alta resistência a altas temperaturas e boa tenacidade; boa resistência ao desgaste e alta estabilidade térmica; excelente resistência à fadiga térmica e alta temperabilidade; boa condutividade térmica e boa processabilidade de conformação.

Tratamento de liga

A fração mássica de carbono no aço para moldes de trabalho a quente geralmente fica entre (0,3%~0,6%) C para obter a resistência, dureza, resistência ao desgaste e tenacidade necessárias. Se o teor de carbono for muito alto, a tenacidade e a condutividade térmica diminuem; se for muito baixo, a resistência, dureza e resistência ao desgaste são difíceis de garantir.

O cromo melhora a temperabilidade e a estabilidade ao revenimento. A coexistência de níquel e cromo não só melhora a temperabilidade, mas também as propriedades mecânicas globais. O manganês aumenta a temperabilidade e a resistência, mas reduz a tenacidade. Molibdênio, tungstênio, vanádio, etc., podem produzir endurecimento secundário, melhorar a dureza a quente, estabilidade ao revenimento, resistência à fadiga térmica e refino de grão.

Processo de Tratamento Térmico

O processo geralmente inclui três etapas: aquecimento, manutenção de temperatura e resfriamento, às vezes apenas aquecimento e resfriamento. Essas etapas são contínuas e não podem ser interrompidas.

• Aquecimento

O aquecimento é uma das etapas importantes, com diversos métodos. Antigamente usavam-se carvão e carvão mineral como fonte de calor; recentemente, combustíveis líquidos e gasosos. A aplicação de eletricidade facilita o controle e evita poluição ambiental.

Quando o metal é aquecido, a peça exposta ao ar sofre oxidação e descarburização, prejudicando as propriedades superficiais após o tratamento. Por isso, o metal deve ser aquecido em atmosfera controlada ou protetora, em sal fundido, vácuo, ou com revestimentos e embalagens protetoras. A temperatura de aquecimento é um parâmetro crucial, e sua seleção e controle são essenciais para garantir a qualidade.

• Manutenção de temperatura

A temperatura varia conforme o objetivo e o material, mas geralmente aquece-se acima da temperatura de transformação de fase para obter estrutura de alta temperatura. A transformação leva tempo, então, quando a superfície atinge a temperatura requerida, deve-se manter essa temperatura por um período para que as temperaturas interna e externa se igualem e a microestrutura se transforme completamente. Esse período é o tempo de manutenção.

• Resfriamento

O resfriamento também é indispensável. O método varia com o processo, controlando principalmente a velocidade de resfriamento. Em geral, a velocidade de resfriamento do recozimento é a mais lenta, a da normalização é mais rápida, e a da têmpera é a mais rápida. Mas há requisitos diferentes conforme o tipo de aço.

Tecnologia de tratamento de superfície do aço para moldes

As técnicas comuns de endurecimento superficial são: tratamento térmico químico, fortalecimento superficial por feixe de energia de alta densidade e deposição física ou química de vapor.

Tratamentos térmicos químicos comuns: cementação, nitretação, boretação, etc. São processos tradicionais, com baixo custo e alta confiabilidade, e muitas opções.

O fortalecimento superficial por feixe de energia de alta densidade caracteriza-se por aquecimento rápido, pequena deformação da peça, sem meio de resfriamento, boa controlabilidade e fácil automação. Dentre eles, a modificação superficial a laser tem mais aplicações em pesquisa. Atualmente, a pesquisa em tratamento superficial a laser aproveita sua boa controlabilidade e pouca influência no substrato, combinando com outras tecnologias para novos processos.

Deposição de vapor divide-se em deposição química de vapor (CVD) e deposição física de vapor (PVD). Esses métodos formam principalmente um revestimento cerâmico na superfície do molde, mas o maior problema é que o desempenho de expansão térmica do revestimento cerâmico não combina com a matriz de aço do molde, causando falha precoce por trincas. Por isso, a nitretação a plasma antes do revestimento cerâmico é um método eficaz para melhorar a adesão entre revestimento e substrato, com efeito significativo no aumento da vida de moldes de trabalho a quente. No entanto, vários revestimentos cerâmicos, seja monocamada, multicamada ou combinados com nitretação, inevitavelmente causam diferenças de expansão térmica com a matriz, afetando o desempenho de fadiga térmica do molde. Portanto, é necessário um sistema de revestimento composto. Esse sistema pode fazer a superfície do molde de fundição sob pressão ter funções de anti-soldagem, anti-desgaste por fusão, anti-oxidação e resistência ao desgaste. Sua maior característica é reduzir a transferência de calor para o molde, retardar a mudança de temperatura do molde e melhorar a resistência à fadiga térmica do aço.

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