Seleção de aço ferramenta para núcleos e insertos de fundição sob pressão
Os núcleos e insertos são normalmente os primeiros componentes a falhar nas ferramentas de fundição sob pressão. Sua vida útil determina diretamente a frequência de manutenção, o custo das ferramentas e o tempo de inatividade da produção.
Durante a operação, o metal fundido entra na cavidade sob pressões de 20 a 150 MPa, podendo chegar a 700 MPa em casos extremos. Simultaneamente, os insertos são submetidos a um rápido aquecimento superficial seguido de resfriamento forçado. Isso cria gradientes térmicos acentuados entre a superfície e o núcleo, resultando em expansão e contração repetidas em cada ciclo.
Nessas condições, a falha é causada por mecanismos identificáveis, e não por danos aleatórios. Em produção, os insertos normalmente falham de uma das seguintes maneiras:
- Perda de material superficial causada pelo fluxo de fusão em alta velocidade (lavagem).
- Adesão entre a liga fundida e a superfície da ferramenta (soldagem)
- Redes de fissuras superficiais resultantes de tensão térmica cíclica (fissuração por calor).
- Fratura súbita devido à concentração de tensão ou choque térmico.
A seleção do aço ferramenta deve, portanto, basear-se no modo de falha predominante em seu processo, e não nas propriedades gerais do material.
Lógica de Seleção Principal
Para núcleos e insertos fundidos sob pressão, a seleção do material é determinada pelo fato de a falha ser dominada por amolecimento térmico ou por fissuração.
Se o material perde resistência com o aumento da temperatura, a erosão e a deformação se aceleram.
Se o material não for resistente, ocorrerão fissuras antes que o desgaste se torne relevante.
A classificação correta é escolhida identificando-se o principal mecanismo de falha.
Fadiga térmica (fissuração por calor)
Quando os insertos falham devido a fissuras superficiais, a causa principal é a tensão térmica cíclica. A superfície se expande sob o calor enquanto o interior a restringe, criando tensões repetidas de tração e compressão.
Materiais com microestrutura estável em temperaturas elevadas retardam o início de trincas e reduzem a taxa de propagação de trincas.
Resistência ao calor e ao amolecimento
Se os insertos apresentarem deformação plástica ou desgaste superficial rápido, o fator limitante é a resistência a altas temperaturas. O material deve manter a dureza sob a temperatura de operação para resistir à erosão e manter a estabilidade dimensional.
Isso se torna crucial em condições de fundição de alta velocidade ou alta temperatura.
Resistência à fratura (tenacidade)
Quando a falha se manifesta como fissuras repentinas, especialmente em seções finas ou geometrias agudas, a tenacidade torna-se o fator determinante.
Nesse caso, aumentar a dureza geralmente acelera a falha em vez de resolvê-la. A seleção de materiais deve priorizar classes com maior resistência à fratura.
Resistência à soldagem
Na fundição de alumínio sob pressão, o alumínio fundido reage com o ferro, formando camadas intermetálicas. Isso leva à aderência, rasgos e danos superficiais durante a ejeção.
Esse comportamento é influenciado principalmente pela composição do material base e se torna mais severo sob exposição a altas temperaturas e ciclos prolongados.
Aços para ferramentas recomendados
H13 (1.2344 / SKD61)
O H13 é a escolha padrão para a maioria dos insertos de fundição sob pressão, pois oferece uma combinação equilibrada de resistência à fadiga térmica e tenacidade.
Apresenta desempenho confiável sob ciclos de aquecimento e resfriamento e pode operar em condições de resfriamento a água sem rachaduras imediatas. Isso o torna adequado para fundição sob pressão de alumínio, magnésio e zinco em ciclos de alta frequência.
A faixa de dureza típica é de 46 a 52 HRC, ajustada para equilibrar a resistência ao desgaste e à fratura.
O H13 deve ser considerado o material de referência quando a falha se distribui entre degradação superficial e fissuração moderada.
H11 (1.2343 / SKD6)
H11 é selecionado quando a falha é predominantemente causada por fissuras em vez de desgaste.
Em comparação com o H13, oferece maior tenacidade e melhor resistência à fratura, tornando-o adequado para núcleos de pequena seção transversal, transições abruptas e geometrias complexas com altas concentrações de tensão.
Na prática, quando as pastilhas H13 falham prematuramente devido a fissuras, a substituição por H11 costuma ser mais eficaz do que o ajuste de dureza ou o tratamento térmico.
A faixa de dureza típica é de 42 a 47 HRC, frequentemente ajustada para baixo para melhorar ainda mais a resistência à fratura.
H21 (1,2581)
O H21 é utilizado em ambientes de fundição de alta temperatura, como ligas de latão e cobre, onde o amolecimento térmico se torna o principal modo de falha.
Seu alto teor de tungstênio permite que ele mantenha a dureza em temperaturas elevadas, onde o H13 começaria a perder resistência. Isso reduz significativamente a deformação e o desgaste sob calor extremo.
No entanto, o H21 possui baixa resistência e é sensível ao choque térmico. Não é adequado para sistemas de refrigeração a água ou para ciclos térmicos rápidos.
A faixa de dureza típica é de 40 a 44 HRC.
P20 (1,2311 / 1,2738)
O P20 normalmente não é usado para insertos de fundição sob alta carga. Sua função é principalmente estrutural ou relacionada a custos.
É comumente utilizado em blocos de fixação, insertos de grande porte com baixa tensão ou em aplicações com ligas de zinco onde a carga térmica é limitada. Sua vantagem reside na usinabilidade, estabilidade dimensional e menor custo.
A dureza típica é de 28 a 32 HRC (≈300 HB), com variantes de dureza mais alta usadas seletivamente em aplicações de insertos de baixa exigência.
Resumo da Seleção Prática
| Aço para ferramentas | Ponto Forte Principal | Limitação | Quando usar |
| H13 | Equilíbrio entre resistência à fadiga térmica e tenacidade. | Não otimizado para temperaturas extremas ou concentrações de estresse severas. | Pastilhas gerais para fundição sob pressão de Al/Mg/Zn |
| H11 | Maior tenacidade, melhor resistência a rachaduras | Menor resistência a quente do que H13 | núcleos pequenos, complexos ou de alta tensão |
| H21 | Dureza superior em altas temperaturas | Baixa resistência, sensível a choques térmicos. | Fundição de latão/cobre com alta carga térmica |
| P20 | Econômico e fácil de usinar. | Desempenho limitado em altas temperaturas | Blocos de suporte ou aplicações de zinco com baixa carga |
Orientações para a Decisão Final
A seleção de materiais deve começar pela forma como os insertos falham durante a produção.
- Se a falha for dominada por fissuras térmicas e degradação da superfície, o H13 oferece o desempenho geral mais estável.
- Se as pastilhas falharem por fissuras, especialmente em seções finas ou complexas, a troca de H13 para H11 geralmente é mais eficaz do que aumentar a dureza.
- Caso ocorra deformação ou erosão sob alta temperatura, a atualização para H21 torna-se necessária, desde que o choque térmico possa ser controlado.
- Se a carga térmica for baixa e a redução de custos for a prioridade, o P20 é suficiente para componentes não críticos.
Na Aobo Steel, esses aços são fornecidos em condição recozida ou pré-endurecida para aquisição em grandes quantidades, permitindo que distribuidores e fabricantes realizem usinagem e tratamento térmico final de acordo com suas próprias necessidades de ferramentas.