Propriedades mecânicas dos aços para moldes P4, P20 e P21

A condição por trás de cada conjunto de números

Os aços para moldes não são vendidos com um único conjunto de propriedades mecânicas, porque os números variam com o tratamento térmico. O P4 é um grau de baixo carbono que é cementado para dar à superfície da cavidade sua resistência ao desgaste, e os números do núcleo abaixo são apenas para o núcleo, resfriado ao ar a partir de 955 °C e revenido a 425 °C. O P20 é normalmente comprado pré-endurecido e usinado na cavidade a cerca de 300 HB, e os números abaixo são para o grau submetido a um ciclo completo de têmpera e revenimento, temperado em óleo a partir de 845 °C e revenido 2 h a 205 °C. O P21 é uma rota diferente novamente. Ele é solubilizado, usinado enquanto está macio, e então envelhecido até sua dureza de trabalho, portanto tem duas colunas de números em vez de uma.

Todos os números são de uma única fonte publicada, listada sob cada tabela com a página impressa de onde vêm. A resistência à tração e o limite de escoamento são dados em megapascais com o valor em ksi entre parênteses conforme a fonte imprime, e as duas escalas de dureza são mantidas como publicadas, portanto o P4 é reportado na escala Brinell e o P20 e o P21 na escala Rockwell C com um valor Brinell ao lado.

Propriedades mecânicas do aço para moldes P4

Propriedades do núcleo após resfriamento ao ar a partir de 955 °C e revenimento a 425 °C

Fonte, Tabela 15-3, Propriedades mecânicas do núcleo do aço para molde P4 resfriado ao ar a partir de 955 °C (1750 °F) e revenido a 425 °C (800 °F) de Tool Steels (G. A. Roberts e G. Krauss).

O P4 é o de maior temperabilidade entre os aços para moldes de cementação, razão pela qual pode ser resfriado ao ar em vez de temperado e ainda atingir resistência do núcleo na mesma faixa dos graus temperados. O valor do núcleo de 1034 MPa de escoamento contra 1289 MPa de tração deixa uma ampla diferença entre escoamento e ruptura, e a redução de área de 53 por cento com alongamento de 15 por cento descreve um núcleo que absorve choque sem trincar. Essa combinação é a razão pela qual o grau é escolhido para cavidades grandes e para cunhagem. O valor de impacto CVN de 43 J é medido em um corpo de prova padrão com entalhe V, e o núcleo de 390 HB é a dureza que as paredes da cavidade carregam atrás da camada cementada.

Propriedades mecânicas do aço para moldes P20

Valores após têmpera em óleo a partir de 845 °C e revenimento 2 h a 205 °C

Fonte, Tabela 15-5, Propriedades mecânicas do aço para molde P20 após têmpera em óleo a partir de 845 °C (1550 °F) e revenimento de 2 h a 205 °C (400 °F) de Tool Steels (G. A. Roberts e G. Krauss).

O P20 é o grau do qual a maioria das cavidades usinadas é cortada, e os números mostram por que uma temperatura de revenimento baixa é usada quando o grau é endurecido em vez de comprado pré-endurecido. O revenimento a 205 °C deixa 36 a 38 HRC, o que está acima da condição pré-endurecida de 300 HB mas ainda baixo o suficiente para usinar e manter a forma da cavidade. O limite de escoamento de 1172 MPa fica próximo ao valor de tração de 1310 MPa, e o alongamento de 13 por cento com redução de área de 51 por cento é a ductilidade que impede um molde de trincar quando é retirado de uma peça. Aumentar a temperatura de revenimento troca essa dureza, e a resposta ao revenimento do grau é apresentada na página de tratamento térmico do aço P20 linkada abaixo.

Propriedades mecânicas do aço para moldes P21

A condição solubilizada e a envelhecida

Fonte, Tabela 15-6, Propriedades mecânicas do aço para molde P21 de Tool Steels (G. A. Roberts e G. Krauss). A coluna de tratamento de solubilização é o aço temperado a partir da temperatura de solubilização e usinado nessa condição. A coluna de envelhecido é o mesmo aço após permanecer 20 a 24 h na temperatura de envelhecimento.

O P21 endurece por precipitação de um composto de níquel-alumínio, portanto é usinado na condição solubilizada a 26 HRC no máximo e então envelhecido a uma temperatura mais baixa para atingir sua dureza de trabalho. A coluna envelhecida apresenta 1234 MPa de tração contra 862 MPa na condição solubilizada, e o limite de escoamento sobe de 586 MPa para 1138 MPa. A ductilidade cai em paralelo, com o alongamento caindo de 24 por cento para 16 por cento e a redução de área de 59 por cento para 40 por cento. A faixa de dureza de 36 a 39 HRC após o envelhecimento é mais estreita que a faixa dos graus temperados e revenidos, o que é a razão usual pela qual uma oficina de moldes aceita a etapa extra de forno.

Dureza deixada por cada temperatura de envelhecimento

Fonte, Tabela 15-7, Efeito da temperatura de envelhecimento na dureza do aço para molde P21 de Tool Steels (G. A. Roberts e G. Krauss). O tempo de envelhecimento foi de 20 a 24 h em cada temperatura.

A temperatura de envelhecimento define a dureza, e a tabela vai de 510 °C até 565 °C com a dureza caindo por todo o percurso. O envelhecimento a 510 °C dá 38 a 41 HRC, e subir o forno para 565 °C reduz a faixa para 27 a 32 HRC. O passo entre uma temperatura e a seguinte é de 15 °C, e cada passo custa ao aço um pouco de sua dureza, portanto a temperatura de envelhecimento é o único controle que define a dureza de trabalho do molde.

Lendo os três graus em conjunto

Os três conjuntos de números respondem à mesma pergunta em pontos diferentes do processo. O P4 dá sua resistência do núcleo somente após cementação e tratamento térmico, e a camada que fica sobre esse núcleo é o que carrega o desgaste. O P20 atinge um valor de tração comparável em um único ciclo de têmpera e revenimento, razão pela qual é usado onde o bloco inteiro precisa ser resistente e não apenas a superfície. O P21 atinge o maior valor de tração dos três, mas somente após duas etapas de forno, uma para solubilizar o bloco e uma para envelhecê-lo após a usinagem.

Duas advertências se aplicam às três colunas. A primeira é que os números pertencem ao tratamento térmico exato nomeado na legenda, portanto um molde operado a uma temperatura de revenimento mais alta ou envelhecido a uma temperatura diferente ficará em outro ponto dessas escalas. A segunda é que os valores são de uma única fonte publicada sobre um único vazamento de cada grau, portanto confirme os números de trabalho contra o certificado de ensaio do vazamento que você compra. Um pino de carbeto ou um bloco espaçador que não é carregado da mesma forma que a cavidade pode operar bem fora desses números.

Dados de referência relacionados

O P20 é fornecido pré-endurecido a cerca de 300 HB e está listado com suas formas e faixa de seção em Aço ferramenta P20, enquanto o ciclo de têmpera, revenimento e cementação do grau está em Tratamento térmico do aço para ferramentas P20. Os aços para moldes resistentes à corrosão trabalhados no mesmo capítulo correspondem a um aço inoxidável martensítico AISI 420 e estão listados em Aço inoxidável 420. A escolha entre um aço para moldes e um aço para trabalho a quente para um molde que vê temperatura mais alta é apresentada em Aço H13 e P20, e as propriedades das famílias mais amplas de aços para ferramentas estão em propriedades do aço ferramenta e seleção de aço para moldes de plástico.

Fonte: Tool Steels (G. A. Roberts e G. Krauss).