Melhores aços para matrizes de extrusão de alumínio

Para a maioria das matrizes de extrusão de alumínio em geral, o H13 deve ser a primeira escolha. Ele oferece o melhor equilíbrio geral entre resistência ao desgaste, dureza a quente, tenacidade e resistência a fissuras térmicas.

Para mandris, cilindros de acionamento, blocos de teste e outros componentes de ferramentas altamente solicitados, o aço H11 pode ser uma escolha melhor quando a principal preocupação é o surgimento de trincas, tensões de flexão ou fraturas.

Para ferramentaria que exige maior dureza a quente e estabilidade dimensional, o H12 pode ser considerado, especialmente para matrizes de extrusão a quente, camisas e êmbolos. A seleção mais ampla de graus para ferramentaria de extrusão está em guia de seleção de aço para ferramentas para matrizes de extrusão a quente.

Para pontas de mandril e insertos de alto desgaste, M2 O aço rápido T1 pode ser usado quando o atrito e o calor localizados excedem a capacidade de resistência do H13 ou do H11. O M2 geralmente é a opção mais equilibrada, enquanto o T1 é usado principalmente quando se exige máxima dureza a quente.

O que limita a vida útil de matrizes de extrusão de alumínio

A extrusão de alumínio opera com temperaturas de tarugo em torno de 340-510°C e normalmente sem lubrificação, portanto a matriz suporta duas cargas ao mesmo tempo: tensão compressiva sustentada que pode atingir 1035 MPa (150 ksi), e ciclagem térmica contínua. O alumínio também tende a aderir à superfície da matriz, o que aumenta o atrito e a tensão de cisalhamento na área de apoio.

A vida útil da matriz é, portanto, limitada por três mecanismos: desgaste abrasivo pelo fluxo de metal, desgaste adesivo por aderência, e fadiga térmica. O trincamento térmico, a rede de trincas superficiais formada pelo aquecimento e resfriamento repetidos, geralmente é o fator dominante, e um aço que apenas parece duro no papel não resolverá um problema de trincamento térmico.

O que cada fator de seleção custa quando está subespecificado. A fissuração térmica, não a dureza, é o fator que decide a vida útil da matriz com mais frequência.

A dureza de trabalho para ferramentaria de extrusão situa-se na faixa de 42-51 HRC dependendo do componente, portanto a diferença entre H11, H12 e H13 vem da composição e da estrutura de carbonetos e não da própria dureza. Na nomenclatura europeia e japonesa, os dois graus padrão são 1.2343 (SKD6) para H11 e 1.2344 (SKD61) para H13.

Tabela de seleção de aço ferramenta para componentes de matrizes de extrusão de alumínio

Grau por componente de ferramentaria. O corpo da matriz, o mandril e as insertos localizados de alto desgaste são três ciclos de trabalho diferentes dentro de um mesmo conjunto de matriz.

A seleção de ferramentas para extrusão de alumínio não se baseia em um único tipo de aço universal. A escolha correta depende do componente, do nível de tensão, do risco de desgaste, da exposição térmica e da vida útil requerida.

H13 vs H11: Como escolher entre resistência ao desgaste e tenacidade

O H13 contém mais vanádio do que o H11, tipicamente em torno de 1,0% em comparação com cerca de 0,5% no H11. Esse maior teor de vanádio contribui para a formação de carbonetos de vanádio mais duros, o que melhora a resistência ao desgaste e à fissuração térmica. Por esse motivo, o H13 é amplamente utilizado como material padrão de uso geral para matrizes de extrusão de alumínio maciças e ocas.

Selecione H13 quando as ferramentas forem necessárias:

• Desempenho geral equilibrado: O H13 oferece uma forte combinação de dureza a quente, tenacidade, resistência ao desgaste e resistência à fadiga térmica.
• Melhor resistência ao desgaste que o H11: Maior teor de vanádio favorece mais formação de carbonetos duros.
• Resistência à fissuração térmica: O H13 é adequado para superfícies de matriz que são repetidamente aquecidas e resfriadas.
• Desempenho padrão de matriz de extrusão: Geralmente é a primeira escolha mais segura para perfis sólidos e ocas.

O H11 possui menor teor de vanádio, o que lhe confere uma resistência ao desgaste ligeiramente inferior à do H13, mas maior tenacidade à fratura e ductilidade. Isso torna o H11 uma excelente opção para componentes expostos a altas tensões de flexão, cargas de impacto ou risco de fissuração.

Selecione H11 quando as ferramentas forem necessárias:

• Maior Resistência: O H11 é adequado quando a resistência à fratura importa mais que a resistência ao desgaste.
• Menor risco de trincas: Útil para mandris longos e ferramentaria estrutural altamente solicitada.
• Melhor ductilidade: O H11 suporta melhor tensão de flexão e choque mecânico.
• Confiabilidade estrutural: Adequado para êmbolos, blocos fictícios, suportes de matriz e outros componentes de apoio.

Escolha H13 quando a resistência ao desgaste e a vida útil geral da matriz forem as principais preocupações. Escolha H11 quando a resistência à fissuração e a tenacidade forem mais importantes.

Quando usar H12 para ferramentas de extrusão de alumínio

O H12 também é um aço ferramenta para trabalho a quente com cromo, mas sua função é mais específica do que a do H13 ou do H11.

O H12 contém tungstênio, além de cromo, molibdênio e vanádio. Isso lhe confere maior resistência ao amolecimento em altas temperaturas e melhor estabilidade dimensional sob condições exigentes de trabalho a quente. O H12 pode ser selecionado para matrizes de extrusão a quente, revestimentos e cilindros onde a dureza a quente e o controle de empenamento são importantes.

Selecione H12 quando as ferramentas forem necessárias:

• Geometria complexa de matriz: Melhor estabilidade dimensional ajuda a reduzir o risco de empenamento e distorção.
• Alta carga térmica: O suporte de liga de tungstênio melhora a resistência ao amolecimento em temperaturas elevadas.
• Ferramentaria de apoio para serviço pesado: O H12 pode ser usado para camisas, êmbolos e matrizes de extrusão a quente onde alta dureza a quente é importante.
• Requisitos específicos de estabilidade: É útil quando o controle dimensional importa mais do que simplesmente escolher o grau mais comum.

Na maioria das decisões práticas de compra, H13 e H11 continuam sendo as principais opções, enquanto H12 é uma alternativa para requisitos específicos de dureza a quente e estabilidade.

Quando usar M2 ou T1 para pontas de mandril e insertos de alto desgaste

Os aços M2 e T1 são aços rápidos. Eles não são materiais comuns para matrizes de extrusão de alumínio. Seu uso é restrito a pontas de mandril, insertos de matriz ou outras áreas de alto desgaste localizado.

O corpo principal da matriz precisa de tenacidade e resistência estrutural. As pontas e os insertos podem exigir resistência ao desgaste local e dureza a quente muito maiores.

Em comparação com H13 ou H11, M2 e T1 podem ser tratados termicamente para atingir maior dureza e manter essa dureza sob condições de calor localizado intenso. Isso os torna adequados para aplicações em que o atrito e a carga térmica em uma pequena área de ferramental são muito elevados para aços convencionais para trabalho a quente.

Escolha M2 quando as ferramentas exigirem:

• Atrito localizado severo: Alto teor de carbonetos fornece a resistência ao desgaste necessária para pontas de mandril e insertos.
• Resistência equilibrada ao lascamento: O M2 oferece um melhor equilíbrio de tenacidade do que muitos aços rápidos com maior teor de liga.
• Condições mistas de desgaste e impacto: É adequado para aplicações em que a pastilha deve resistir tanto à abrasão quanto ao esforço mecânico.
• Desempenho com bom custo-benefício: O M2 geralmente é mais econômico do que os aços rápidos ricos em tungstênio.

O aço rápido M2 costuma ser a escolha mais prática para pontas e insertos de mandril, pois oferece alta resistência ao desgaste e um melhor equilíbrio de tenacidade do que muitos aços rápidos de liga mais elevada.

Selecione T1 quando as ferramentas forem necessárias:

• Máxima dureza a quente: O T1 é adequado para aplicações em que a pastilha deve resistir ao amolecimento térmico em altas temperaturas.
• Alta estabilidade térmica: Sua composição rica em tungstênio ajuda a manter a dureza em temperaturas elevadas.
• Resistência ao amolecimento térmico: Útil quando o amolecimento é o modo de falha principal.
• Menor risco de lascamento: O T1 é menos atrativo se a falha por impacto ou o lascamento da aresta forem comuns.

O T1 é um aço rápido de tungstênio clássico com excelente dureza a quente, mas geralmente é mais caro e menos resistente que o M2. Na maioria dos casos, o M2 é a opção mais equilibrada, enquanto o T1 é reservado para problemas extremos de amolecimento térmico.

Por que a resposta à nitretação é importante na seleção do aço para matrizes de extrusão de alumínio?

A resposta à nitretação é um fator importante que contribui para a ampla utilização dos materiais H11, H12 e H13 em matrizes de extrusão de alumínio.

As matrizes de extrusão de alumínio precisam de uma superfície dura e resistente ao desgaste, suportada por um núcleo robusto. Aços para trabalho a quente da série H Contêm cromo, molibdênio e vanádio, que podem formar nitretos estáveis durante a nitretação. Isso permite que a superfície da matriz atinja alta resistência ao desgaste, enquanto o núcleo permanece suficientemente resistente para suportar alta pressão de extrusão.

As duas metades de uma matriz de extrusão nitretada: uma superfície de trabalho dura sustentada por um núcleo ainda tenaz o suficiente para suportar a carga da prensa.

Por essa razão, a nitretação não deve ser tratada como uma etapa isolada e posterior. Se o aço selecionado não responder bem à nitretação, poderá não apresentar um bom desempenho na extrusão de alumínio, mesmo que sua dureza inicial pareça aceitável.

Essa é uma das razões pelas quais os aços H13, H11 e H12 são mais adequados do que muitos aços-liga de uso geral para matrizes de extrusão de alumínio. Eles podem combinar uma superfície de trabalho nitretada com um núcleo de suporte resistente.

Decisões de projeto de matriz que determinam o aço

O grau é apenas metade da resposta. Quatro escolhas de projeto alteram a carga que uma matriz suporta e podem afastar a escolha da resposta padrão H13.

• Maciça ou oca. Uma matriz oca divide o metal em canais e o ressolda na câmara de solda, de modo que o mandril e as pontes absorvem carga de flexão que uma matriz maciça nunca recebe. Nesses componentes, a tenacidade supera a resistência ao desgaste. As duas famílias são comparadas na página de tipos de matriz de extrusão de alumínio.
• Comprimento da zona de calibração. Uma zona de calibração mais longa eleva a pressão e o atrito na região de contato, onde começa o desgaste adesivo, o que desloca o requisito para a extremidade mais resistente ao desgaste da faixa H11 / H12 / H13. Como a zona de calibração é medida está na página de comprimento de apoio da matriz.
• Tamanho da matriz em relação ao tarugo. Um perfil que exige um círculo circunscrito grande deixa menos aço ao redor da zona de calibração para suporte, de modo que a matriz precisa ser mais espessa e mais tenaz para a mesma forma. O limite é apresentado na página de diâmetro do círculo circunscrito.
• O caminho de carga atrás da matriz. O backer, o bolster, o liner e o dummy pad absorvem a carga da prensa em vez de conformar o perfil, por isso são escolhidos pela tenacidade e resistência a quente, e não pelo grau mais duro disponível.

Uma matriz que equilibra o fluxo evita os pontos quentes onde uma parte do perfil escoa mais rápido que o restante, e uma zona de calibração que se mantém mais fria desgasta-se mais lentamente qualquer que seja o grau de que é feita. Como uma matriz falha quando o projeto está errado é descrito na página de desgaste de molde de extrusão de alumínio.

Recomendação prática

Para a maioria das matrizes de extrusão de alumínio, o H13 é a melhor opção inicial, pois oferece a combinação mais equilibrada de resistência ao desgaste, dureza a quente, tenacidade, resistência à fadiga térmica, resposta à nitretação e custo.

Escolha H11 quando o componente da ferramenta estiver sob alta tensão e o principal risco for rachadura, empenamento ou fratura.

Escolha H12 quando a dureza a quente, a estabilidade dimensional ou o controle de empenamento forem especialmente importantes.

Escolha M2 para pontas de mandril e insertos de alto desgaste quando for necessário melhorar a resistência ao desgaste local sem tornar todo o corpo da matriz muito duro ou muito caro.

Escolha T1 somente quando for necessária a máxima dureza a vermelho e a pastilha falhar principalmente devido ao amolecimento térmico, e não ao lascamento.

Em um conjunto prático de ferramentas para extrusão de alumínio, a melhor solução geralmente não é usar um único aço para todas as peças. Um projeto robusto pode utilizar H13 para a matriz principal, H11 para mandris ou ferramentas de suporte altamente solicitados e M2 ou T1 para insertos localizados sujeitos a alto desgaste. Isso proporciona às ferramentas um melhor equilíbrio entre vida útil, resistência a trincas e estabilidade em trabalhos a quente.

O que determina o custo de uma matriz de extrusão de alumínio

O preço do aço para matriz é uma pequena parte do que custa uma matriz de extrusão de alumínio. O que uma prensa realmente paga é o custo por tonelada de perfil: o preço da matriz dividido pelos tarugos que ela prensa antes do retrabalho, mais a refugo produzido enquanto a matriz se estabiliza, mais o tempo de prensa perdido na troca.

É por isso que o grau mais barato em uma cotação costuma ser a matriz mais cara. H13 e H11 custam mais por quilograma do que um aço para trabalho a quente de uso geral, mas mantêm a dureza e a zona de calibração por mais tempo, de modo que a matriz prensa mais tarugos entre retrabalhos. Um grau que trinca por fadiga térmica precocemente faz o oposto: é retrabalhado, renitretado e montado novamente, e cada um desses ciclos custa tempo de prensa.

Três coisas determinam a resposta na prática: a liga de extrusão, porque um perfil da série 7000 carrega a matriz várias vezes mais do que o 6063; o próprio perfil, porque a espessura de parede e o número de cavidades definem a carga na zona de calibração; e o tratamento superficial, porque uma zona de calibração nitretada dura mais entre retrabalhos do que uma sem tratamento. Grau, tamanho, quantidade, liga de extrusão e perfil são as cinco informações necessárias para cotar aço para matriz em função da vida útil da matriz, e não de uma lista de preços.

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