Seleção de aço ferramenta para matrizes de forjamento a quente
A forjagem a quente molda o metal por meio de impacto repetido ou pressão contínua, expondo as matrizes a altas tensões de contato, ciclos térmicos rápidos e desgaste superficial severo. As pressões de contato geralmente excedem 1000 N/mm² (145 ksi), o que coloca a superfície da matriz em risco constante de deformação plástica.
Durante a operação, a superfície da matriz pode atingir temperaturas entre 650 e 700 °C, e o rápido aquecimento e resfriamento geram fortes gradientes térmicos. Essas variações cíclicas de temperatura induzem tensões térmicas, que, por sua vez, impulsionam o início e a propagação de trincas.
Ao mesmo tempo, o fluxo de material em alta velocidade, de até 50 m/s, produz desgaste abrasivo e adesivo contínuo na superfície da matriz.
A falha ocorre principalmente por meio de três mecanismos: desgaste abrasivo, deformação plástica e fissuração por fadiga térmica. A seleção do aço ferramenta deve, portanto, basear-se no modo de falha predominante nas condições reais de serviço.
Principais fatores de seleção
A resistência ao desgaste e a tenacidade definem o principal equilíbrio a ser considerado. Maior dureza e teor de carbonetos melhoram a resistência ao desgaste abrasivo, mas reduzem a resistência ao impacto. Em matrizes de forjamento, tenacidade insuficiente leva ao surgimento de trincas nas bordas ou à fratura sob cargas repetidas. Portanto, a dureza ideal deve ser definida próxima ao limite superior que ainda mantenha tenacidade suficiente.
A dureza a quente determina a resistência à deformação plástica em temperaturas elevadas. Com o aumento da temperatura, a resistência ao escoamento diminui rapidamente. Se a resistência a quente for insuficiente, a superfície da matriz se deforma, levando à perda dimensional e à falha prematura.
A resistência à fadiga térmica controla a rapidez com que as fissuras por calor se desenvolvem. Ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento geram trincas superficiais. Aços com maior condutividade térmica, combinados com resistência e ductilidade adequadas em altas temperaturas, retardam o início e a propagação de trincas.
A seleção deve seguir a condição de serviço predominante: aplicações com predominância de impacto exigem maior resistência, enquanto longos tempos de contato e temperaturas mais elevadas requerem maior resistência a altas temperaturas e ao desgaste.
Aços para ferramentas recomendados
Aço ferramenta AISI H11 | 1.2343 | SKD6
O aço H11 é utilizado em aplicações onde o impacto é a principal causa de falhas. Sua alta tenacidade e resistência ao choque térmico o tornam adequado para forjamento por martelo, onde o tempo de contato é curto, mas o impacto é severo.
A dureza de trabalho situa-se tipicamente entre 38 e 54 HRC. O material tolera refrigeração limitada com água sem fissuras imediatas, o que ajuda a controlar a temperatura da matriz em operações de alto ciclo.
Fornecedor de aço ferramenta H13 | 1.2344 | SKD61
O H13 é utilizado onde são necessárias tanto resistência ao desgaste quanto tenacidade. Seu teor de vanádio melhora a resistência ao desgaste abrasivo, mantendo ao mesmo tempo tenacidade suficiente para a maioria das condições de forjamento.
A dureza de trabalho é normalmente ajustada com base nas condições de serviço. Faixas mais baixas, de 40 a 44 HRC, são usadas para maior resistência ao impacto, enquanto de 44 a 50 HRC são usadas quando a resistência ao desgaste se torna mais crítica.
Aço ferramenta AISI H21 | 1.2581 | SKD5
O aço H21 foi selecionado para aplicações em altas temperaturas onde a resistência ao amolecimento é o principal requisito. Ele mantém a dureza até aproximadamente 620°C, tornando-o adequado para condições de alta temperatura contínua.
A dureza de trabalho situa-se tipicamente entre 43 e 52 HRC. No entanto, a sua menor tenacidade torna-a sensível ao choque térmico. O arrefecimento a água deve ser evitado, uma vez que as rápidas mudanças de temperatura podem causar fissuras imediatas.
AISI H12 (base de cromo-tungstênio)
O aço H12 oferece maior resistência a quente do que o H11 devido à adição de tungstênio. É mais adequado para forjamento por prensa, onde as matrizes operam em temperaturas mais elevadas e tempos de contato mais longos.
A dureza de trabalho situa-se tipicamente entre 38 e 55 HRC. Comparado com o H11, oferece maior resistência ao amolecimento e ao desgaste, mas com menor tenacidade.
Aços proprietários de baixa liga (ex.: 6F2 / 6F3)
Os aços Ni-Cr-Mo são usados em blocos de matrizes e suportes de grandes dimensões, onde a resistência estrutural é mais importante do que a resistência ao desgaste superficial.
Com níveis de dureza de 341–375 HB, esses aços oferecem alta resistência à deformação volumétrica e ao impacto. São adequados para aplicações com temperaturas superficiais moderadas e ferramentas de grandes dimensões, onde o custo e a confiabilidade estrutural são fatores críticos.
Tabela Resumo
| Aço ferramenta de alta qualidade | Dureza típica | Vantagem primária | Método de resfriamento |
| AISI H11 | 38–54 HRC | Alta resistência para forjamento com predominância de impacto. | Refrigeração a água aceitável |
| AISI H12 | 38–55 HRC | Maior resistência a quente para forjamento por prensa. | Ar ou água limitada |
| AISI H13 | 40–50 HRC | Resistência ao desgaste e tenacidade equilibradas | Ar ou água controlada |
| AISI H21 | 43–52 HRC | Dureza máxima a quente em altas temperaturas. | Sem refrigeração a água |
| 6F2 / 6F3 | 341–375 HB | Alta resistência estrutural para matrizes de grande porte. | Ar ou óleo |