Caracterização microestrutural e mecânica de aços ferramenta para trabalho a quente utilizados em moldes no processo de fundição sob pressão de ligas de alumínio

Abstract

Os aços ferramenta para trabalho a quente são utilizados em moldes e matrizes em processos de conformação de materiais em altas temperaturas. Na fundição sob pressão como High Pressure Die Casting (HPDC), os aços utilizados nos moldes sofrem acentuado desgaste em função das severas condições de uso como altas temperaturas, altas pressões de injeção, ciclos térmicos e fluxos de alta velocidade do metal fundido. Como consequência, este desgaste causa a falha da ferramenta elevando os custos de produção pelas frequentes paradas de produção e manutenção. Uma das principais falhas está relacionado à trincas de fadiga térmica e formas de aumentar a resistência a quente e a tenacidade dos aços tem sido estudados. A escolha do aço e das condições de tratamento térmico adequado são algumas das condições para melhorar o tempo de vida das ferramentas. Neste sentido, este trabalho teve como objetivo selecionar quatro aços ferramenta para trabalho a quente da família AISI H11 e DIN 1.2367, caracterizar sua microestrutura no estado fornecido e avaliar as propriedades mecânicas após tratamento térmico. As condições de tratamento térmico envolveram têmpera entre 1010 e 1030°C por 40 minutos seguido de três revenidos até 600°C por 120 minutos, cada. A caracterização microestrutural envolveu técnicas de análise química, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. A caracterização das propriedades mecânicas envolveu ensaio de dureza Rockwell C, impacto Charpy-V, tração a frio e tração a quente a 600°C. Em relação aos resultados, todos os aços no estado fornecido apresentaram composição química conforme fabricante, microestrutura ferrítica carbonetos finamente distribuídos na matriz, não sendo observados poros, microinclusões ou microssegregações. Após tratamento térmico, os aços apresentaram dureza média de 45 HRC e estrutura martensítica. Os ensaios de impacto demonstraram que o Aço B apresentou maior valor de absorção ao impacto de 26,8±2,20 J. Nos ensaios de tração a frio, o Aço C apresentou o maior valor de resistência à tração e ao escoamento de 1583±6,5 MPa e 1305,4±7 MPa, respectivamente. Este mesmo aço também apresentou menor valor de alongamento e estricção de 10,38±0,1% e 42,85±1,2%, respectivamente. Para os ensaios de tração realizados a 600°C, os Aços C e D apresentaram valores similares de resistência. O Aço C apresentou resistência à tração e ao escoamento de 984±17 MPa e 873±19 MPa, respectivamente e o Aço D, 972±7 MPa e 921±41 MPa, respectivamente. O Aço D apresentou menor alongamento e estricção de 9,8±1,4% e 57,5±1%, respectivamente. Em relação ao módulo de elasticidade, o Aço D apresentou maior valor, de 148,3±2 GPa quando comparado aos demais aços. O Aço D foi considerado o mais adequado para uso em serviço sob severas condições em que um molde estará sujeito e consequentemente, retardar o início de fadiga térmica.

Hot work tool steels are used in molds and dies in processes for shaping materials at high temperatures. In pressure die casting, also known as High Pressure Die Casting (HPDC), the steels used in the molds suffer severe wear due to the severe conditions of use to which they are subjected, such as high injection pressures, high temperatures, thermal cycles and high-speed fluxing of molten metal. As a consequence, this wear causes tool failure, increasing production costs due to frequent production and maintenance stops. One of the main failures is related to thermal fatigue cracking and ways to increase the hot strength and toughness of steels have been studied. The choice of steel and suitable heat treatment conditions are some of the conditions to improve tool life. In view of this, this work aims to select four tool steels for hot work of the AISI H11 and DIN 1.2367 family, to characterize their microstructure in the supplied state and to evaluate the mechanical properties after heat treatment. The heat treatment conditions involved quenching at temperatures between 1010 and 1030°C for 40 minutes followed by three tempering up to 600°C for 120 minutes each. The microstructural characterization involved chemical analysis, optical microscopy and scanning electron microscopy techniques. The characterization of the mechanical properties involved Rockwell C hardness test, Charpy-V impact, cold traction and hot traction at 600°C. Regarding the results, all steels in the supplied state presented chemical composition according to the manufacturer, ferritic microstructure with small globular carbides finely distributed in the matrix, with no pores, microinclusions or microsegregation being observed. After heat treatment, the steels showed an average hardness of 45 HRC and martensitic structure. The impact tests showed that Steel B had a higher impact absorption value of 26.8±2.20 J. In the tensile tests, Steel C showed the highest tensile strength and yield strength of 1583±6.5 MPa and 1305.4±7 MPa, respectively. This same steel also showed a lower elongation and reduction of area value of 10.38±0.1% and 42.85±1.2%, respectively. For the tensile tests performed at 600°C, Steels C and D showed similar resistance values. Steel C presented tensile strength and yield strength of 984±17 MPa and 873±19 MPa, respectively and Steel D, 972±7 MPa and 921±41 MPa, respectively. Steel D showed lower elongation and reduction of area of 9.8±1.4% and 57.5±1%, respectively. Regarding the modulus of elasticity, Steel D had the highest value, of148.3±2 GPa when compared to the other steels. D Steel was found to be the most suitable for use in service under the severe conditions that a mold will be subjected to and consequently delay the onset of thermal fatigue.