Aço ferramenta produzido por metalurgia do pó versus aço ferramenta produzido por fusão convencional

Dois aço para ferramentas Barras podem ter a mesma denominação de grau e ainda assim comportar-se de maneira completamente diferente na linha de produção. A composição química da liga é frequentemente semelhante, às vezes idêntica, mas uma barra provém de um lingote estático e a outra de pó atomizado consolidado sob pressão. Essa única diferença na forma como o metal líquido se solidifica é a causa principal de quase todas as discrepâncias de propriedades que os compradores encontram ao comparar aços metalúrgicos e convencionais.

Este artigo analisa a origem dessa lacuna, o que ela altera na ferramenta final e quando o custo adicional do gerenciamento de projetos realmente vale a pena.

Como os dois processos solidificam o aço

O aço ferramenta convencional começa em um forno elétrico a arco e é fundido em lingotes estáticos ou blocos de fundição contínua. Para aços onde a limpeza é crucial, as usinas adicionam uma etapa secundária de refusão, refusão por eletroescória ou refusão por arco a vácuo, para reduzir a porosidade na linha central, gases aprisionados e macroinclusões. O que a fundição convencional não pode evitar é o tempo. Um lingote grande esfria ao longo de horas, às vezes dias, e durante esse período os elementos de liga têm espaço para migrar. O resultado é a segregação micro e macroscópica, o bandamento químico que aparece posteriormente como veios de carbonetos na microestrutura.

O aço produzido por metalurgia do pó começa da mesma forma, com fusão por indução, mas o fluxo de material fundido nunca entra em contato com um molde. Jatos de gás de alta pressão o atomizam em gotículas finas que se solidificam quase instantaneamente ao caírem através de uma torre de atomização. Essa taxa de resfriamento é várias ordens de magnitude mais rápida do que a fundição de lingotes e é rápida o suficiente para suprimir a reação eutética grosseira de carbonetos que causa a segregação. O pó resultante é peneirado, selado em recipientes e consolidado até atingir a densidade total por prensagem isostática a quente, sendo então forjado ou laminado em barras da mesma forma que o aço convencional.

Tamanho e distribuição de carbonetos

A taxa de solidificação é o fator crucial aqui. O resfriamento lento dá aos carbonetos tempo para crescerem e se aglomerarem na direção do fluxo do lingote, e então a laminação estica esses aglomerados, transformando-os em faixas. A solidificação rápida nunca lhes dá essa chance.

Essa diferença de ordem de grandeza no tamanho dos carbonetos é o que se reflete posteriormente em termos de tenacidade, retificabilidade, usinabilidade e estabilidade dimensional.

Tenacidade e propriedades transversais

Os carbonetos em faixas oferecem um caminho fácil de seguir, e esse caminho é pior na direção transversal, perpendicular à direção de laminação. O aço ferramenta convencional é visivelmente mais fraco nessa orientação, o que é importante para qualquer ferramenta submetida a cargas em múltiplos ângulos, em vez de diretamente ao longo do eixo da barra. Como o aço PM não possui faixas de carbonetos, suas propriedades permanecem consistentes independentemente da direção da medição. Para ferramentas sujeitas a impactos ou cortes interrompidos, essa isotropia costuma ser o fator decisivo em relação aos valores brutos de dureza.

Capacidade de moagem e usinabilidade

A capacidade de retificação é geralmente medida pela relação G, o volume de metal removido por unidade de desgaste da rebolo. Carbonetos grandes e duros, particularmente os carbonetos MC ricos em vanádio, não retificam de forma limpa. Eles fraturam ou arrastam-se pela rebolo, desgastando-a rapidamente, por isso as ligas convencionais de alta resistência apresentam baixas relações G. Os carbonetos PM são suficientemente pequenos para se desprenderem durante a retificação sem danificar o abrasivo, e o aço PM pode retificar até dez vezes mais rápido do que uma liga convencional com teor de carboneto comparável.

A mesma distribuição fina e uniforme de carbonetos facilita a usinabilidade no estado recozido. O processamento por metalurgia do pó também permite que as usinas aumentem o teor de enxofre para obter aços de usinagem livre sem a perda de trabalhabilidade a quente que a metalurgia convencional sofre, uma vez que os sulfetos de manganês permanecem pequenos e dispersos, em vez de formarem filamentos.

Estabilidade dimensional por meio de tratamento térmico

Todo aço ferramenta sofre deformação durante o processo de têmpera, mas a forma como essa deformação ocorre é crucial. A segregação e a estrutura direcional de carbonetos fazem com que o aço convencional se deforme de maneira irregular, frequentemente adquirindo um padrão quadrangular reconhecível à medida que perde a circularidade. O aço metalúrgico (PM) se deforma uniformemente em todas as direções, de modo que a ovalização se mantém próxima a um círculo perfeito. Essa deformação previsível é mais fácil de compensar na fase de projeto e reduz o risco de trincas por têmpera em geometrias complexas.

A resistência ao desgaste é mais complexa do que parece.

Este é o erro mais comum entre os compradores de produtos. Para uma composição química idêntica, o aço convencional pode, na verdade, apresentar uma resistência ligeiramente melhor ao desgaste abrasivo puro, porque seus carbonetos maiores atuam como blocos que impedem o deslizamento das partículas abrasivas. No entanto, a maioria das falhas reais em ferramentas decorre do desgaste adesivo e da microfissuração, e não da abrasão pura, e é aí que o aço metalúrgico se destaca, já que seu campo uniforme de carbonetos resiste muito melhor à microfissuração e ao lascamento.

A maior vantagem é a liberdade de liga. O processamento PM possibilita a produção de ligas como CPM 10V, CPM Rex 76 e ASP 60 com níveis de vanádio, nióbio e cobalto que se fragmentariam durante a conformação a quente se fundidas convencionalmente. Essas ligas PM superligadas atingem resistência ao desgaste e dureza a quente incomparáveis a qualquer liga convencional, simplesmente porque nenhum lingote convencional conseguiria manter essa composição química durante a forjagem.

Resposta ao tratamento térmico

Os carbonetos finos se dissolvem mais rapidamente durante a austenitização, portanto o aço PM atinge a dureza máxima a uma temperatura de têmpera mais baixa e responde de forma mais uniforme em toda a peça. Dito isso, o aço PM não tolera um ciclo de tratamento térmico inadequado, assim como o aço convencional. Uma ferramenta PM com tratamento térmico inadequado ainda terá desempenho inferior a uma ferramenta convencional tratada termicamente corretamente.

Quando vale a pena pagar o prêmio do seguro de manutenção preventiva.

O aço ferramenta metalúrgico normalmente custa de 5 a 50% ou mais do que o equivalente convencional, e os aços convencionais ainda cobrem cerca de 90% do mercado porque as ferramentas padrão não precisam do que o metalúrgico oferece. O metalúrgico justifica seu preço em algumas situações específicas.

Geometrias complexas de ferramentas, como fresas, machos e alargadores, onde a distorção irregular durante a têmpera comprometeria as tolerâncias de acabamento, se beneficiam do movimento previsível do metalurgia do pó. Ferramentas sujeitas a impactos fortes ou cortes interrompidos se beneficiam da tenacidade isotrópica do metalurgia do pó, que resiste ao lascamento que danificaria uma ferramenta convencional. Aplicações que exigem extrema resistência ao desgaste abrasivo ou adesivo justificam a adoção de ligas de metalurgia do pó superligadas, sem equivalente convencional. Grandes blocos de ferramentas, incluindo matrizes de fundição de grande porte, se beneficiam da ausência de segregação proporcionada pela PM, uma vez que a segregação em um grande bloco convencional acelera a fadiga térmica e o trincamento por calor ao longo da vida útil do chip.

Fora esses casos, um óleo mineral convencional de boa procedência e com certificado de teste de fábrica sem ressalvas cumpre a função por uma fração do custo.