O aço ferramenta H21 é um aço ferramenta para trabalho a quente à base de tungstênio, classificado no grupo H da AISI. Esses tipos de aços estiveram entre as primeiras opções de alta liga desenvolvidas para aplicações exigentes em ferramentas de alta temperatura.

1. Composição química do aço para ferramentas H21

O desempenho do aço H21 é amplamente determinado pelos seus elementos de liga. Uma composição típica inclui:

• Carbono (C): 0,26% – 0,36% (Fornece temperabilidade e resistência ao desgaste)
• Manganês (Mn): 0,15% – 0,40% (Melhora a temperabilidade, atua como desoxidante/dessulfurizante)
• Silício (Si): 0,15% – 0,50% (Aumenta a resistência e a dureza, atua como desoxidante)
• Cromo (Cr): 3.00% – 3.75% (Aumenta a resistência à oxidação e corrosão em alta temperatura)
• Vanádio (V): 0,30% – 0,60% (Forma carbonetos duros, aumentando a resistência ao desgaste e a resistência ao calor)
• Tungstênio (W): 8.50% – 10.00% (Elemento chave para dureza a quente, resistência a altas temperaturas e resistência ao desgaste)

2. Propriedades do aço para ferramentas H21

2.1 Dureza e Resistência ao Calor

O aço H21 é reconhecido por sua boa resistência ao calor e capacidade de manter a dureza em temperaturas elevadas, um fator crítico em aplicações de trabalho a quente.

• Dureza temperada: Após a austenitização e têmpera (Por exemplo, 2 horas a 595 °C / 1100 °F), pode-se atingir uma dureza de aproximadamente 529 HB. Aumentar a temperatura de revenido (por exemplo, para 650 °C / 1200 °F) reduz a dureza para aproximadamente 437 HB.
• Dureza a quente: Em temperaturas de operação, a dureza diminui. Por exemplo, a dureza a quente pode ser em torno de 280 HB a 595 °C (1100 °F) e 211 HB a 650 °C (1200 °F). (Com base em dados típicos com dureza inicial à temperatura ambiente de 444 HB).

2.2 Tenacidade e Ductilidade

Embora ofereça boa resistência ao calor, a tenacidade e a resistência ao choque do H21 são geralmente menores em comparação com o aço à base de cromo. aços para trabalho a quente, como H11 ou H13. Suas características de choque também são consideradas inferiores ao H19.

• A temperatura de revenimento escolhida e a taxa de resfriamento após o endurecimento, como por exemplo, óleo. têmpera Em contraste com um resfriamento mais lento, a resistência ao impacto (teste Izod ou Charpy com entalhe em V) é significativamente influenciada.
• As propriedades de torção podem variar significativamente dependendo dos parâmetros específicos do tratamento térmico usados para atingir a dureza alvo, normalmente dentro da faixa de 42-55 HRC.

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3. Tratamento térmico

Alcançar o desempenho ideal do aço para ferramentas H21 depende fortemente de um processo preciso de tratamento térmico. Este procedimento desenvolve a dureza, a resistência ao desgaste e a tenacidade necessárias para aplicações exigentes de trabalho a quente.

3.1 Pré-aquecimento

Antes do processo principal de têmpera, o aço para ferramentas H21 deve ser cuidadosamente pré-aquecido.

• Temperatura: Aquecer uniformemente a 760–815 °C (1400–1500 °F).
• Propósito: Esta etapa crucial minimiza o choque térmico e previne trincas, especialmente em componentes com formas complexas ou espessuras variadas. O aquecimento lento e uniforme garante que a temperatura seja distribuída uniformemente por todo o aço, preparando-o para as altas temperaturas da austenitização.

3.2 Austenitização (endurecimento)

Após o pré-aquecimento, o aço é levado à temperatura de austenitização.

• Temperatura: Aquecer a 1095–1205 °C.
• Propósito: Nessa etapa, a microestrutura do aço se transforma em austenita. Isso permite que o carbono e elementos de liga críticos, como o tungstênio (W) e o cromo (Cr), se dissolvam na estrutura, o que é fundamental para alcançar a dureza após o resfriamento.

Imersão em temperatura de austenitização

Manter o aço na temperatura de austenitização (imersão) é essencial.

• Duração: Normalmente de 2 a 5 horas, dependendo da espessura da seção transversal (reserve tempo suficiente, por exemplo, 1 hora por polegada de espessura).
• Propósito: O alto teor de tungstênio e cromo do H21 forma carbonetos estáveis. O tempo de imersão suficiente garante que esses carbonetos se dissolvam completamente e se distribuam uniformemente na austenita, resultando em uma estrutura uniforme pronta para têmpera.

3.3 Têmpera (resfriamento)

O resfriamento rápido transforma a austenita em aço duro e martensítico.

• Métodos: O aço H21 pode ser temperado no ar ou no óleo.
• Considerações: Devido à sua alta temperabilidade, o H21 endurece rapidamente, mesmo com resfriamento a ar mais lento. A têmpera a ar é frequentemente preferida, pois reduz significativamente o risco de distorção e trincas por têmpera em comparação com a têmpera em óleo mais severa, especialmente para peças maiores ou complexas. A têmpera em óleo pode ser utilizada se a dureza máxima for o objetivo principal. A taxa de resfriamento deve ser suficientemente rápida para evitar a formação de estruturas mais macias, como perlita ou bainita.

3.4 Têmpera

O aço H21 temperado é extremamente duro, mas também quebradiço. O revenimento é necessário para refinar suas propriedades.

• Temperatura: Reaqueça o aço a 595–675 °C.
• Propósito: O revenimento reduz a fragilidade e melhora significativamente a tenacidade e a ductilidade, mantendo uma dureza substancial. A temperatura e o tempo específicos utilizados determinarão o equilíbrio final entre dureza e tenacidade.
• Temperamentos múltiplos: Para aços-ferramenta de alta liga, como o H21, a realização de dois ou mais ciclos de revenimento é uma prática comum. Isso garante a estabilidade estrutural, transforma a austenita retida e pode contribuir para o endurecimento secundário, melhorando ainda mais o desempenho em temperaturas elevadas.

Tabela de Dureza e Temperatura de Revenimento para Aço H21

3.5 Controles de Processo Importantes

3.5.1 Prevenção da descarbonetação

O aço H21 é propenso à descarbonetação, ou perda de carbono da superfície, em altas temperaturas de tratamento térmico, resultando em uma camada superficial macia e fraca.

• Solução: Medidas de proteção são essenciais durante a austenitização. Isso inclui o uso de fornos de atmosfera controlada, banhos de sal ou o envolvimento das peças em material protetor, como folha de aço inoxidável.

3.5.2 Resfriamento após forjamento

Devido à alta temperabilidade do H21, os forjados devem ser resfriados lentamente (por exemplo, resfriamento em forno ou enterramento em isolamento) imediatamente após a operação de forjamento.

• Razão: Evite a normalização (resfriamento a ar a partir de altas temperaturas), pois isso pode causar o endurecimento parcial ou total do aço, levando à fragilidade e potencial formação de trincas antes do processo de têmpera e revenimento pretendido. O resfriamento lento garante uma estrutura mais adequada para o tratamento térmico subsequente.

Esta abordagem estruturada para o tratamento térmico do aço para ferramentas H21 garante que o material ofereça o alto desempenho necessário para as aplicações de ferramentas de trabalho a quente pretendidas. O controle preciso de cada parâmetro é fundamental para o sucesso.

4. Aplicações do aço para ferramentas H21

Graças à sua dureza a quente e resistência ao desgaste, o aço H21 é usado em vários processos de trabalho a quente:

• Matrizes e insertos de forjamento
• Punções, perfuradores e mandris para trabalho a quente
• Ferramentas de extrusão a quente
• Lâminas de cisalhamento a quente (especialmente para aplicações severas, às vezes junto com H25)
• Matrizes de fundição sob pressão (especialmente para latão)
• Matrizes de cunhagem (especialmente onde alguma resistência ao desgaste pode ser trocada por melhor resistência à quebra em seções finas)

O H21 é frequentemente considerado uma escolha adequada para ferramentas destinadas a produções médias.

5. Graus equivalentes de aço para ferramentas H21

• Europeu (EN): X30WCrV9-3 (1.2581)
• Alemanha (DIN): 1.2581
• Japão (JIS): SKD5
• França (AFNOR): 32CDV12-28
• China (GB): 3Cr2W8V