Aço para ferramentas 2Cr13: uma visão geral abrangente

O aço para ferramentas 2Cr13 é um material versátil amplamente utilizado na fabricação de moldes plásticos, especialmente aqueles que exigem um equilíbrio entre resistência, tenacidade e resistência à corrosão. Como um aço inoxidável martensítico de baixo carbono, é normalmente empregado após têmpera e revenimento. Este tratamento térmico aprimora suas propriedades mecânicas, tornando-o adequado para aplicações exigentes.

Uma das principais vantagens do aço 2Cr13 é sua boa usinabilidade, que permite processamento e conformação eficientes. Após o tratamento térmico, apresenta excelente resistência à corrosão, garantindo longevidade mesmo em ambientes severos. Além disso, oferece uma boa combinação de resistência e tenacidade, tornando-o confiável sob diversas cargas.

Embora sua resistência à corrosão e ao calor seja ligeiramente inferior à do aço 1Cr13, o aço 2Cr13 mantém uma resistência à oxidação estável em temperaturas de até 700°C. Isso o torna adequado para aplicações que envolvem exposição moderada ao calor. No entanto, vale ressaltar que sua soldabilidade e plasticidade no estado recozido não são tão favoráveis quanto as do aço 1Cr13. Apesar disso, o aço 2Cr13 é conhecido por suas excelentes propriedades de polimento, o que representa uma vantagem significativa na fabricação de moldes, onde o acabamento superficial é fundamental.

1. Composição química do aço ferramenta 2Cr13

A composição química do aço 2Cr13 é padronizada de acordo com a norma GB/T 1220-2007. As frações de massa típicas de seus principais elementos são:

• Carbono (C): 0,16% – 0,25% (comumente em torno de 0,16%)
• Silício (Si): ≤1,00% (frequentemente ≤0,60%)
• Manganês (Mn): ≤1,00% (frequentemente ≤0,80%)
• Cromo (Cr): 12.00% – 14.00%
• Enxofre (S): ≤0,030%
• Fósforo (P): ≤0,040% (às vezes especificado como ≤0,035%)

Esses elementos contribuem para as propriedades únicas do aço, sendo o cromo o principal elemento de liga que confere resistência à corrosão.

2. O aço ferramenta 2Cr13 é equivalente a vários outros padrões:

• DIN alemão: Número do material 1.4021, grau X20Cr13
• BS britânico: Grau S62
• Inglês: Graus 56B/56C
• AFNOR francês: Grau Z20C13
• Código Digital Unificado: S45830

Essa referência cruzada pode ser útil para clientes globais que estão familiarizados com diferentes sistemas de padronização.

3. Propriedades físicas do aço ferramenta 2Cr13

Compreender as propriedades físicas do aço 2Cr13 é crucial para sua aplicação em diversos contextos de engenharia. Aqui estão as principais características físicas:

• Ponto de fusão: 1450 – 1510℃
• Densidade: 7,75 t/m³
• Capacidade térmica específica (cₚ): 459,8 J/(kg·K)

Essas propriedades influenciam o comportamento do aço durante o processamento e em serviço.

Temperaturas críticas:

• Aa₁: Aproximadamente 820℃
• Aa₃: Aproximadamente 950℃
• Ac₁: Aproximadamente 780℃

Essas temperaturas são importantes para os processos de tratamento térmico, pois definem as transformações de fase do aço.

Módulo de elasticidade (E):A rigidez do aço 2Cr13 diminui com a temperatura:

• A 20℃: 210 – 223 GPa
• A 400℃: 193 GPa
• A 500℃: 184 GPa
• A 600℃: 172 GPa

Coeficiente de Expansão Linear (α): Isso mede o quanto o aço se expande quando aquecido:

• 20-100 ℃: 10,5 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-200 ℃: 11,0 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-300 ℃: 11,5 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-400 ℃: 12,0 × 10⁻⁶ ℃⁻¹
• 20-500 ℃: 12,0 × 10⁻⁶ ℃⁻¹

Condutividade térmica (λ): Indica o quão bem o aço conduz calor:

• 20-100℃: 23,0 W/(m·K)
• 20-200℃: 23,4 W/(m·K)
• 20-300℃: 24,7 W/(m·K)
• 20-400℃: 25,5 W/(m·K)
• 20-500℃: 26,3 W/(m·K)

Resistividade elétrica (ρ): Afeta o comportamento do aço em aplicações elétricas:

• A 20℃: 0,55 ×10⁻⁷ Ω·m
• A 100℃: 0,65 ×10⁻⁷ Ω·m

Essas propriedades são essenciais para designers e engenheiros considerarem ao selecionar o aço 2Cr13 para aplicações específicas, especialmente aquelas que envolvem variações de temperatura ou componentes elétricos.

4. Tratamento térmico do aço ferramenta 2Cr13

Apropriado tratamento térmico é essencial para liberar todo o potencial do aço 2Cr13. Os seguintes processos são comumente utilizados:

4.1 Forjamento

• Aquecimento: Aqueça lentamente o aço antes de atingir 850℃, com o forno carregado a ≤800℃.
• Temperatura de forjamento: Comece a forjar a 1160-1200℃ e termine a ≥850℃.
• Resfriamento: Após o forjamento, resfrie em areia ou recoza imediatamente. Devido à baixa condutividade térmica, o aquecimento abaixo de 850°C deve ser gradual.
• Pós-forjamento: Resfrie lentamente as peças forjadas e tempere imediatamente.

4.2 Tratamento de Amolecimento

Para reduzir a dureza para usinagem:

• Têmpera de alta temperatura: 750-800℃
• Método alternativo: Manter a 875-900 ℃ por 1 a 2 horas, depois resfriar a 15-20 ℃/h até abaixo de 600 ℃, seguido de resfriamento ao ar. Isso atinge uma dureza de 170-200 HB.

A estrutura resultante é ferrita rica em cromo com carbonetos de (Cr, Fe)₂₃C₆.

4.3 Têmpera

• Temperatura: Normalmente em torno de 1050℃.
• Resfriamento: Para moldes pequenos, o resfriamento a ar é possível para minimizar a deformação. Moldes maiores geralmente são temperados em óleo.

4.4 Têmpera

O aço 2Cr13 é frequentemente usado em duas condições de têmpera:

• Para alta dureza e resistência à corrosão: Tempere a 200-350℃.
• Para resistência, plasticidade e tenacidade equilibradas: Tempere a 650-750℃.

Observação: Evite temperar entre 400-600℃ para evitar propriedades indesejáveis.

4.5 Têmpera e revenimento recomendados

• Têmpera: Têmpera em óleo de 980-1000℃.
• Têmpera: Varia de acordo com as propriedades desejadas.

4.6 Recozimento para alívio de tensões

• Tempere a 730-780 ℃ seguido de resfriamento ao ar.
• Após a soldagem, revena para aliviar a tensão. O resfriamento lento em altas temperaturas pode levar à formação de bainita.

4.7 Tratamento térmico de pré-endurecimento

• Aquecer a 860-900℃ e resfriar o forno para atingir 160-187 HBW.

4.8 Têmpera e revenimento padrão

• Têmpera: Aquecer até 1000-1050℃, depois resfriar com óleo ou água até ≥45 HRC.
• Têmpera: A 660-670℃ com resfriamento a ar de 20-23 HRC.

Esses processos de tratamento térmico permitem adaptar as propriedades do aço aos requisitos específicos da aplicação, garantindo desempenho ideal em vários cenários.

5. Propriedades mecânicas do aço 2Cr13

As propriedades mecânicas do aço 2Cr13 dependem fortemente do tratamento térmico a que é submetido. Abaixo estão as propriedades típicas obtidas por meio de diferentes processos:

5.1 Após têmpera e revenimento

Para amostras temperadas de 980-1000℃, resfriadas a óleo e depois revenidas:

• Limite de escoamento (Rp0,2): ≥440 MPa
• Resistência à Tração (Rm): ≥640 MPa
• Alongamento (A): ≥20%
• Redução de Área (Z): ≥50%
• Energia de Impacto (Ku₂): ≥63 J
• Dureza (HBW): 192-223

5.2 Condição Recozida

Para chapas e tiras laminadas a frio de aço inoxidável martensítico recozido:

• Limite de escoamento (Rp0,2): ≥225 MPa
• Resistência à Tração (Rm): ≥520 MPa
• Alongamento (A): ≥18%
• Dobramento a frio (180°): d = 2a
• Dureza (HBW): ≤223

5.3 Propriedades de alta temperatura

Após têmpera a 1000-1020 ℃, resfriamento a óleo e revenimento a 720-750 ℃, o aço exibe as seguintes propriedades em temperaturas elevadas:

Temperatura de teste (∘C)	Tração (Rm​, MPa)	Rendimento (Rp0,2​, MPa)	Alongamento (δ, %)	Vermelho. Área (ψ, %)	Impacto (αk​, J/cm2)
20	720	520	21.0	68.0	65-175
300	555	400	18.0	66.0	120
400	530	405	16.5	58.5	205
450	495	380	17.5	61.0	–
500	495	420	22.5	66.0	–
550	440	365	32.5	72.5	–

Essas propriedades demonstram a capacidade do aço de manter a resistência e a ductilidade em temperaturas mais altas, tornando-o adequado para aplicações de exposição ao calor.

6. Aplicações do Aço 2Cr13

Devido às suas propriedades balanceadas, o aço 2Cr13 é uma escolha popular para diversas aplicações. É particularmente adequado para:

• Moldes de plástico: Especialmente aqueles sob altas cargas e ambientes corrosivos, incluindo moldes para produtos plásticos transparentes.
• Componentes de alto estresse: Como lâminas de turbina, eixos e mangas de bombas de óleo quente, impulsores e placas de válvulas de prensas hidráulicas.
• Bens Industriais e de Consumo: Isso inclui aplicações na indústria de papel, equipamentos médicos e itens domésticos, como facas e talheres.

Além disso, o aço 2Cr13 pode ser usado como substituto do aço tipo Cr12 na fabricação de matrizes de puncionamento e trefilação. Quando tratado com cementação, têmpera e revenimento, pode atingir uma dureza superficial de 62-65 HRC e uma dureza do núcleo de 38-41 HRC, potencialmente estendendo a vida útil dos moldes em 1-2 vezes em comparação com os tratamentos tradicionais com aço Cr12.

7. Comparação com outros aços

Entender como o aço 2Cr13 se compara a materiais similares pode ajudar a selecionar o aço certo para necessidades específicas:

• Vs. Aço 1Cr13: O 2Cr13 oferece maior resistência e dureza após têmpera e revenimento, mas apresenta resistência à corrosão e ao calor ligeiramente inferior. Sua soldabilidade e plasticidade no estado recozido também são inferiores.
• Vs. Aço 30Cr13: O aço 30Cr13 apresenta resistência, dureza e temperabilidade ainda maiores que os aços 2Cr13 (20Cr13) e 12Cr13 após têmpera. Oferece alguma resistência à corrosão por ácido nítrico diluído e ácidos orgânicos fracos à temperatura ambiente, embora menor que o 12Cr13 e o 20Cr13.
• Vs. Aço 4Cr13: O 4Cr13 tem maior resistência e dureza que o 30Cr13, mas menor tenacidade e resistência à corrosão, com pior soldabilidade.
• Vs. Aço 20Cr13: O 20Cr13 tem propriedades semelhantes ao 12Cr13, mas com resistência e dureza ligeiramente maiores e menor tenacidade e resistência à corrosão.

Essas comparações destacam as compensações entre diferentes propriedades, permitindo que os engenheiros escolham o aço mais apropriado com base nos requisitos específicos de sua aplicação.