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Aços para Ferramentas e

Matrizes

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Matriz aberta

Matriz fechada

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Características fundamentais dos aços para Características fundamentais dos aços para ferramentas e matrizes:ferramentas e matrizes:

• Dureza à temperatura ambiente: a dureza da ferramenta ou matriz deve ser superior à dureza da peça sobre a qual exercerão sua ação de corte, usinagem ou conformação. A dureza depende essencialmente do teor de carbono. A maioria das ferramentas e matrizes, tais como ferramentas de corte, matrizes para estampagem profunda, etc., é usada à máxima dureza que se pode obter.

•Resistência ao desgaste: requisito muito importante, pois o desgaste pode causar falhas em muitos tipos de ferramentas. O carbono é o elemento de maior influência; nos aços altamente ligados, os elementos de liga podem influir, devido à dureza e à distribuição dos carbonetos que se formam.

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Temperabilidade: requisito indispensável, pois uma maior penetração de dureza garante perfeita uniformidade de características mecânicas em seções apreciáveis. Nos aços-carbono comuns, é difícil alcançar alta profundidade de endurecimento: uma pequena adição de cromo resultará em temperabilidade completa. O aumento do teor de elementos de liga tem a tendência de diminuir a diferença de dureza entre a superfície e o centro e permite a utilização de meios mais brandos de têmpera.

Resistência mecânica: elevada resistência mecânica é indispensável, pois os aços para ferramentas e matrizes devem apresentar a capacidade de suportar esforços estáticos sem o aparecimento de falhas ou de deformação permanente.

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Dureza à quente: característica altamente desejável em certos aços para ferramentas e matrizes, utilizados em altas temperaturas, devido ao calor das próprias condições de serviço ou ao que se desenvolve durante as operações de usinagem; é a propriedade que os aços podem apresentar de reter alta dureza a temperaturas elevadas (da ordem de 600°C para os aços rápidos).

Fundamental para os "aços rápidos" e os "aços de matrizes para trabalho a quente";

A composição química do aço é fator determinante dessa característica, sendo os elementos responsáveis diretamente por essas propriedades, o tungstênio em primeiro lugar, o molibdênio a seguir, o cobalto, o cromo e o vanádio.

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Usinabilidade: não se pode associar propriedades como alta dureza e resistência ao desgaste à uma usinabilidade satisfatória. A usinabilidade é tanto menor quanto maior o teor de elementos de liga, visto que se forma um apreciável número de carbonetos duros.

Fatores que possibilitam os requisitos dos Fatores que possibilitam os requisitos dos aços para ferramentas e matrizes:aços para ferramentas e matrizes:

• Composição química;

• Tratamento térmico.

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Principais elementos de liga presentes nos aços para ferramentas e matrizes: carbono, silício, manganês, cromo, vanádio, tungstênio, molibdênio e cobalto.

Carbono - é o elemento essencial, pois é ele, por intermédio dos carbonetos que se formam, que confere dureza e resistência ao desgaste; seu teor é geralmente alto — em torno do eutetóide ou acima — podendo atingir, em alguns casos, valores superiores a 2%.

Silício - geralmente em teores baixos (0,10 a 0,30%), é adicionado como desoxidante; se dissolve na ferrita.

Manganês - também desoxidante (até 0,5%) e dessulfurante. Em teores mais elevados, melhora a temperabilidade apreciavelmente. A adição de cerca de 1,60% de Mn em aço-carbono com 0,90% C, permite a têmpera em óleo.

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Cromo - adicionado principalmente para aumentar a temperabilidade, tornando, com o Mn, o aço temperável em óleo. Aumenta a resistência ao desgaste, porque aumenta a dureza.

Teores muito variados, desde baixos até muito altos; 5% de cromo, juntamente com 1% de molibdênio compõem um aço endurecível ao ar.

O cromo pode atingir teores de 11,0% a 14,00%, com carbono também elevado (1,50% a 2,20%): notável resistência ao desgaste e são temperáveis em óleo ou ao ar.

Também nos aços rápidos, encontra-se cromo em torno de 4%: junto com tungstênio e vanádio - objetivo aumentar a temperabilidade e a dureza a quente.

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Vanádio - desoxidante e controlador do tamanho de grão. Forma carbonetos estáveis e melhora a temperabilidade dos aços. O principal efeito é impedir o crescimento do grão, refinando-o. Os carbonetos que forma são muito estáveis, mesmo a temperaturas elevadas o que resulta na melhora da dureza a quente do aço.

Tungstênio - é essencialmente um formador de carbonetos, melhorando a dureza do aço à temperatura ambiente. Tungstênio mais elevado — entre 12% e 20% — sobretudo juntamente com o cromo, confere a mais importante propriedade dos aços para ferramentas e matrizes: dureza a quente (capacidade de retenção da dureza até temperaturas da ordem de 600°C), grande importância nas operações de corte a alta velocidade ou de conformação a altas temperaturas.

O tungstênio é o elemento mais eficiente na "dureza a quente", a obtenção desta característica é mais efetiva ainda quando se adiciona juntamente com ele, molibdênio, cobalto, vanádio ou cromo, em combinação de dois, três ou mais desses elementos: formação de um carboneto complexo (Fe,W,Cr,V)6C.

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Cobalto - utilizado somente em alguns tipos de aços (certos aços rápidos); aumenta a dureza a quente e diminui a temperabilidade.

Molibdênio - contribui no sentido de melhorar a dureza a quente, além de aumentar a resistência e a ductilidade. Muito ativo no sentido de melhorar a temperabilidade. Seu uso mais importante é como substituto parcial do tungstênio.

Tratamento térmicoTratamento térmico

Em todos os aços não comuns, o seu tratamento térmico constitui talvez a mais importante fase de fabricação; tal fato cresce de importância nos aços para ferramentas e matrizes, devido às condições extremamente especiais de serviço e utilização desses materiais e devido, nos tipos altamente ligados, à complexidade de sua composição química e estrutura.

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As temperaturas empregadas nos tratamentos térmicos dos aços para ferramentas e matrizes abrangem a mais larga faixa, dentre todos os produtos metalúrgicos: as mais elevadas são aplicadas nos aços rápidos e tornam os aços suscetíveis de adquirirem granulação grosseira.

Essas elevadas temperaturas não podem ser evitadas porque é necessário garantir completa solução dos carbonetos complexos existentes nesses tipos de aços, no ferro gama.

No que se refere ao resfriamento, observa-se também nos aços para ferramentas e matrizes todas as velocidades comercialmente disponíveis de resfriamento, como salmoura, água, óleo, ar, etc.

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A faixa de temperaturas de revenido nos aços para ferramentas e matrizes é muito extensa. Os aços-carbono ou contendo baixo teores de elementos de liga são freqüentemente revenidos a temperaturas relativamente baixas, da ordem de 120 a 350°C, ao passo que os aços rápidos e os aços para trabalho a quente podem ser revenidos a temperaturas muito elevadas, da ordem de 600°C ou 650°C.

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Classificação dos aços para ferramentas e matrizes (AISI-SAE)

•Aços temperáveis em água (W);

•Aços resistentes ao choque (S);

•Aços ferramenta para moldes (P);

•Aços ferramenta para trabalho a frio (O, A, D);

•Aços ferramenta para trabalho a quente (H);

•Aços rápidos (T e M).

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aços tenazes e resistentes à abrasão; para obter estas propriedades trabalha-se com o teor de

carbono (%C entre 0,50 a 1,40); Aços carbono simplesmente, ou com pequenas adições

de cromo e vanádio; 0,5%-0,6%C muito tenaz; 0,8%C boa tenacidade; 1,2%C

grande dureza aliada a certa tenacidade; 1,4% C grande dureza.

Aços Temperáveis em água

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Aplicações:

C até 0,75% - martelos, ferramentas de ferreiro, etc. – grande tenacidade, dureza conveniente;

C de 0,75% a 0,9% - punções, lâminas de tesoura, matrizes para estampagem profunda, etc. – superfície dura com considerável tenacidade;

C de 0,9% a 1,10% - fresas, mandris, matrizes para corte, limas, etc. – grande dureza;

C de 1,1% a 1,4% - ferramentas de tornos, plainas, brocas, matrizes para estiramento, etc. – máxima dureza.

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Tratamento térmico

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Razões pelas quais os aços-carbono ainda desempenham um papel importante na indústria de ferramentas são, entre outras, as seguintes:- custo mais baixo que os outros materiais para ferramentas;- disponibilidade mais fácil;- usinabilidade melhor;- na têmpera, utilizam um meio de resfriamento simples e de grande disponibilidade (água), que permite atingir durezas da ordem de 65 Rockwell C.

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Aços para trabalho a frio

Estes aços são recomendados, em peças que exigem cuidadoso controle dimensional, como matrizes para trabalho a frio.

De um modo geral, são indicados para matrizes de estampagem, forjamento, corte, punções, matrizes para compressão de pós metálicos, etc.

Apresentam alto teor de carbono, o qual pode chegar, para os tipos mais altamente ligados (com 12% de cromo), a 2,35% e teores de elementos de liga desde valores relativamente baixos até valores elevados.

Sua temperabilidade é geralmente elevada e apresenta elevada resistência ao choque; a resistência ao calor é regular e a usinabilidade varia de pequena a boa.

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Segundo classificação AISI e SAE, tem-se 4 grupos:

• de baixa liga e temperáveis em óleo (grupo O);

• de média liga e temperáveis ao ar (grupo A);

• de alta liga e temperáveis em óleo ou ao ar(grupo D).

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Grupo O

As durezas finais de serviço variam de 57 a 62 Rockwell C para os tipos 01 e 02 e de 58 a 64 para o tipo 07.

As principais aplicações dos aços desse grupo são: matrizes de corte, matrizes de conformação, punções, pequenas lâminas de tesouras, serras circulares, brocas e matrizes de estiramento.

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Grupo A

São aços caracterizados por apresentarem grande capacidade de endurecerem ao ar, de modo que são indicados para aplicações em matrizes de forma complicada que devem manter sua forma inalterada após a têmpera e o revenido.

Caracterizam-se ainda por boa resistência ao desgaste e regular tenacidade, portanto aplicáveis em matrizes de corte, conformação e estiramento.

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Grupo DSão caracterizados por altos teores de carbono e de cromo; têm excelente resistência ao desgaste: numerosos carbonetos de cromo duros, e portanto são aços de grande utilidade no emprego em matrizes.

O alto teor de cromo presente confere resistência à oxidação a altas temperaturas, muito mais acentuada do que nos aços ao carbono ou contendo baixos teores de elementos de liga.

As aplicações são feitas em: matrizes de corte, matrizes de cunhagem, matrizes para estampagem profunda, matrizes para estiramento e trefilação, matrizes de conformação, punções, matrizes para extrusão, etc.

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Aços Resistentes ao Choque

Podem ser divididos em três grupos: ao Cr-V, sendo L2, o tipo representativo; ao Si, representado pelos tipos S2, S4 e S5 e ao W, sendo S1 o tipo representativo.

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Possuem tenacidade de muito boa a excelente, com regular resistência ao desgaste; aplicações sujeitas a choque: punções, ferramentas pneumáticas, talhadeiras, etc.

L2 é empregado onde se exige alta resistência mecânica e elevada tenacidade, sendo a resistência ao desgaste secundária;

Os tipos ao silício (S2, S4 e S5) apresentam tenacidade ligeiramente superior;

O tipo ao W é o que apresenta a melhor resistência ao desgaste.

O tipo ao Cr-V é o que apresenta a menor temperabilidade.

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Aplicações:

• L2 são empregados em chaves inglesas, lâminas de tesoura, talhadeiras, eixos propulsores, dispositivos de aperto, matrizes para forjamento em matriz, mandris, matrizes para fundição sob pressão de metais e ligas de baixo ponto de fusão;

• S2 a S5 são empregados em talhadeiras, manuais ou pneumáticas, punções, cortadores de carvão, lâminas de tesoura, matrizes de cunhagem, etc.

• S1 são aplicados em ferramentas resistentes ao choque para uso tanto a frio como a quente, tais como talhadeiras quer manuais, quer pneumáticas, lâminas de tesoura para corte a frio e a quente, brocas de concreto, punções, ferramentas de ferreiro, brocas de rocha, etc.

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Aços para trabalho a quente

Propriedades mais importantes são:

— resistência à deformação, às temperaturas de trabalho;

— resistência ao choque, tanto de natureza mecânica como de natureza térmica;

— resistência à erosão, às temperaturas de serviço;

— resistência à deformação, durante o tratamento térmico;

— usinabilidade.

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Os tipos ao Cr-Mo (H11, H12, H13 e H15) são os mais utilizados, devido sua extraordinária resistência ao choque, principalmente quando é necessário resfriar as matrizes em serviço com água ou outro fluido de resfriamento.

Aplicações típicas desses aços: matrizes para fundição sob pressão, matrizes de forjamento, punções, mandris para trabalho a quente, ferramental para extrusão a quente, lâminas de tesoura para corte a quente, e todos os tipos de matrizes para trabalho a quente que envolvam a aplicação de choque.

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Os tipos de aços ao Cr-W (H14 e H16) caracterizam-se por conterem os mesmos teores de cromo e de tungstênio.

Aplicações típicas desses aços: matrizes de extrusão de aço, cobre ou latão, moldes permanentes para fundição de latão, punções para trabalho a quente, dispositivos de aperto de matrizes, etc.

Tais aços foram criados para tirar proveito dos efeitos benéficos, tanto do tungstênio como do cromo.

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Os tipos ao W são os que apresentam a melhor dureza a quente, dentre todos os tipos de aços para trabalho a quente, somente sendo superados nesse sentido por alguns aços rápidos.

São aplicados onde os requisitos exigidos são máxima resistência a quente e resistência ao amolecimento a altas temperaturas, sendo a resistência ao choque relativamente secundária.

Aplicações típicas desses aços incluem matrizes de extrusão para latão, bronze e aço, matrizes para prensagem a quente, matrizes para forjamento a quente, punções para trabalho a quente, etc.

Os tipos Mo (H41, H42 e H43), desenvolvidos durante a guerra devido à carência de tungstênio, são os menos usados dentre os considerados.

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Aços Rápidos

Principais tipos de aços utilizados em ferramentas, devido às suas características de alta dureza no estado temperado e retenção da dureza a temperaturas em que o gume cortante da ferramenta se torna vermelho, devido ao calor gerado na operação de usinagem.

Todos os tipos de aço rápido contêm cromo e vanádio.

Sua característica principal é a capacidade de operar em velocidades e outras condições de corte que podem elevar a temperatura do gume cortante da ferramenta a cerca de 550°C-600°C, durante a operação de usinagem.

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Nessas temperaturas, esses aços retêm a dureza que lhes permite ainda continuar na operação de usinagem; ao resfriar, após realizada essa operação readquirem a dureza original.

Essa característica é chamada "dureza a quente" e constitui a mais importante propriedade dos aços rápidos.

Além disso, devido ao alto teor de carbono e ao elevado teor de elementos de liga formadores de carbonetos, forma-se um elevado número de carbonetos de liga, o que confere ao aço uma resistência ao desgaste superior a de outros tipos de aços para ferramentas, tornando sua durabilidade maior.

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