Propriedades do Aço D2: O Guia Definitivo para um Aço para Ferramentas de Alto Desempenho

Este artigo fornece uma análise abrangente de Aço D2, examinando sua composição química e revelando os princípios metalúrgicos que determinam seu desempenho. Por décadas, serviu como referência de desempenho, sendo um material robusto, valorizado por sua notável capacidade de resistir ao desgaste e manter o fio afiado em tarefas exigentes. O aço para ferramentas D2 pertence à classificação do grupo D de aços para ferramentas para trabalho a frio, uma família de ligas caracterizada por alto teor de carbono e cromo.

A composição do aço D2 e seus efeitos nas propriedades

Propriedades do Aço D2

A interação entre a composição química, a microestrutura e o tratamento térmico do D2 resulta em um conjunto distinto de propriedades de desempenho. Esta seção fornece uma análise detalhada e baseada em dados de cada característica principal.

Resistência ao desgaste e retenção de arestas

Sua resistência superior ao desgaste vem de seu alto teor de carbono e cromo, que formam uma grande fração de volume de carbonetos de liga dura e rica em cromo (M7C3) dentro de uma matriz martensítica temperada. Esses carbonetos, juntamente com o molibdênio e o vanádio, melhoram significativamente a resistência ao desgaste abrasivo e adesivo.
Em relação à retenção de aresta, o aço D2 oferece boa tenacidade, principalmente quando comparado aos aços tipo D com alto teor de carbono, como D3 e D7. Há uma compensação inerente: aumentar a dureza para obter resistência ao desgaste geralmente diminui a tenacidade e vice-versa. Embora o D2 possua excelente resistência ao desgaste, é considerado moderadamente tenaz e um tanto frágil. Para aplicações que exigem máxima resistência ao desgaste, o D2 é frequentemente usado como inserto em um revestimento mais tenaz, como o aço H11. Revestimentos de nitretação ou PVD com nitreto de titânio podem aumentar ainda mais a resistência ao desgaste do aço D2 sem comprometer sua estabilidade dimensional.

Dureza e Tenacidade

Os elementos do aço D2 se combinam para formar uma grande fração volumétrica de carbonetos de liga duros e ricos em cromo, principalmente do tipo M7C3, dentro de uma matriz martensítica temperada. Esses carbonetos são significativamente mais duros que a cementita, contribuindo para uma resistência superior ao desgaste abrasivo e adesivo. O aço D2 normalmente atinge uma dureza Rockwell C (HRC) de 58–60 para aplicações de trabalho normais e até 60–62 HRC para usos específicos, como a cunhagem de pequenas peças de alumínio. Após a nitretação iônica, sua dureza superficial pode atingir 750–1200 HV. O tratamento térmico típico envolve austenitização em torno de 1010 °C (1850 °F), seguida de têmpera ao ar e revenimento duplo em temperaturas mais altas, como 515 °C (960 °F) e 480 °C (900 °F), o que pode produzir uma dureza de 58 HRC, ao mesmo tempo em que aumenta a resistência ao desgaste devido ao refinamento do grão. Para saber mais sobre a dureza do aço D2, consulte Dureza do aço D2 – Desbloqueando resistência superior ao desgaste.

Em termos de tenacidade, o aço D2 é considerado de tenacidade moderada, mas é um tanto frágil, frequentemente apresentando baixa resistência ao impacto. Essa é uma compensação inerente, pois aumentar a dureza para melhorar a resistência ao desgaste normalmente resulta em uma diminuição da tenacidade. A baixa tenacidade dos aços para ferramentas de trabalho a frio com alto teor de carbono e alto teor de cromo, como o D2, decorre da martensita com alto teor de carbono e da presença de carbonetos grosseiros e não dissolvidos, que podem atuar como locais de iniciação de fratura. Embora o revenimento possa aumentar a tenacidade e a plasticidade da martensita pela redução das tensões residuais, a transformação da austenita retida durante o revenimento também pode introduzir carbonetos adicionais, aumentando potencialmente a sensibilidade à fratura. Mínimos de tenacidade são observados após o revenimento a cerca de 480 °C (900 °F) devido à transformação da austenita retida. O D2 geralmente oferece melhor tenacidade em comparação aos aços do tipo D com alto teor de carbono, como o D3 e o D7. Para aplicações que exigem maior tenacidade, geralmente é recomendado um tipo diferente de aço com tenacidade inerentemente superior, em vez de tentar levar o D2 além dos limites de seu projeto.

Usinabilidade e retificação

O aço D2 apresenta desafios significativos de usinagem, tipicamente apresentando baixa taxa de usinabilidade. Por exemplo, quando recozido adequadamente, o aço D2 atinge uma taxa de usinabilidade de 45, em comparação com 100 para o aço carbono 1%. Alternativamente, a usinabilidade do aço D2 é de 60% em relação ao aço ferramenta W1 recozido, ou de 30-40% em relação ao aço de corte livre B1112. Apesar de difícil de usinar, o aço D2 é adequado para aplicações de estampagem de longa duração. A usinagem de aço D2 endurecido normalmente envolve velocidades de corte que variam de 80 a 220 m/min e taxas de avanço de 0,05 a 0,15 mm/rotação, com profundidade de corte constante de 0,2 mm, durante o torneamento para acabamento superficial.

Em termos de retificação, o aço D2 também é descrito como difícil de retificar devido ao seu alto teor de cromo, combinado com seu maior teor de carbono. A retificação, ou a facilidade com que o excesso de material pode ser removido usando rebolos comuns, é medida pela razão de retificação (volume de metal removido por volume de desgaste do rebolo). Essa razão geralmente diminui à medida que os teores de liga e carbono aumentam. A presença de carbonetos grossos e não dissolvidos, como o tipo M7C3 encontrado em aços de grau D, como o D2, afeta significativamente a resistência ao desgaste abrasivo e a retificação. Tamanhos de carboneto mais finos, frequentemente obtidos por meio do processamento de metalurgia do pó, podem levar a uma melhor retificação.

Resistência à corrosão

O aço D2, apesar de seu alto teor de cromo, geralmente não é considerado como tendo a resistência à corrosão característica do aço inoxidável. Isso ocorre porque grande parte de seu cromo é incorporado em carbonetos de liga, em vez de estar disponível para formar uma película passiva protetora contínua. Embora os aços D2 apresentem excelente resistência à oxidação em altas temperaturas e ofereçam considerável resistência à corrosão após o endurecimento e o polimento das ferramentas, sua resistência geral à corrosão é limitada. Os processos de nitretação, que atingem alta dureza superficial no aço D2, não o tornam completamente resistente à corrosão, sendo necessárias adições adicionais de cromo para aprimorar essa propriedade.

Estabilidade dimensional

O aço para ferramentas D2 é reconhecido por sua estabilidade dimensional relativamente alta durante o tratamento térmico em comparação com outros aços para ferramentas. Após a têmpera ao ar a partir da temperatura de têmpera apropriada, o aço D2 normalmente apresenta uma expansão ou contração de aproximadamente 0,0005 mm/mm (0,0005 polegadas por polegada). No entanto, fatores como a geometria da peça e outras distorções, como flexão ou torção, podem introduzir variações. Seu alto teor de carbono e cromo auxilia na minimização da distorção da microestrutura durante a conformação e fabricação do metal. O principal fator que afeta a estabilidade dimensional do aço D2 é a austenita retida, que pode atingir até 20% após o tratamento térmico padrão. Essa austenita retida pode se transformar espontaneamente em martensita não temperada à temperatura ambiente, levando a alterações dimensionais subsequentes. A implementação de ciclos específicos de tratamento térmico — como a têmpera após a manutenção a 345 °C (650 °F) por uma hora — melhora a estabilidade dimensional à temperatura ambiente. O projeto da peça também influencia profundamente os níveis de deformação, afetando a uniformidade da transferência de calor.

Propriedades mecânicas e físicas do aço D2

O efeito do tratamento térmico nas propriedades do aço D2

As propriedades mecânicas do aço D2 são profundamente influenciadas por seu tratamento térmico, que normalmente envolve austenitização, têmpera e revenimento.

• A austenitização determina o grau de dissolução do carboneto, a uniformidade da estrutura da austenita e o tamanho do grão, influenciando assim a temperabilidade e as propriedades finais do aço. Temperaturas de austenitização mais altas levam a uma maior dissolução dos carbonetos, aumentando o teor de carbono e cromo em solução sólida, o que pode reduzir as temperaturas de Ms (início da martensita) e Mf (fim da martensita) e aumentar a quantidade de austenita retida. O superaquecimento ou o encharcamento excessivo durante a austenitização podem danificar a estrutura molecular e levar à fragilidade, enquanto o subcozimento resulta em falta de dureza. Espera-se que o aço D2 atinja uma dureza de 64 HRC após a têmpera.
• Após a austenitização, o aço D2 é normalmente temperado ao ar, embora a têmpera em óleo também possa ser utilizada. A têmpera ao ar minimiza a distorção. A taxa de resfriamento durante a têmpera facilita a transformação da austenita em martensita, que é o constituinte mais duro dos aços de baixa liga e um objetivo principal para atingir uma dureza satisfatória.
• O revenimento é um tratamento térmico pós-têmpera crítico para aço D2, tipicamente realizado em temperaturas que variam de 480 °C a 540 °C (900 °F a 1000 °F). Ele é realizado o mais rápido possível após o resfriamento para reduzir tensões residuais e evitar trincas. O aço D2 frequentemente requer múltiplos ciclos de revenimento (por exemplo, revenimento duplo ou triplo). Múltiplos tratamentos de revenimento refinam a estrutura dos grãos, melhoram a resistência ao desgaste e proporcionam alívio de tensões. Significativamente, o revenimento reduz a quantidade de austenita retida, que pode chegar a 20% após o tratamento térmico padrão, melhorando assim a estabilidade dimensional e prevenindo a transformação espontânea em martensita não revenida à temperatura ambiente ao longo do tempo. Este processo envolve a transformação de carboneto de épsilon metaestável em cementita e a precipitação de carbonetos de liga, resultando em um aumento de dureza e volume, conhecido como têmpera secundária.

Para métodos específicos de tratamento térmico para aço D2, consulte Como tratar termicamente o aço D2 adequadamente.

Aplicativos

Com base nessas propriedades, o D2 é um material ideal para trabalhos pesados a frio que exigem alta resistência ao desgaste:

• Morre: Matrizes de corte, conformação, estampagem, trefilação, laminação de roscas, extrusão e corte. Especialmente indicadas para longas tiragens.
• Socos: Punções perfurantes, punções de conformação a frio.
• Lâminas e facas: Lâminas de tesoura, lâminas de corte, facas industriais (para papel, madeira).
• Rolos: Rolos de conformação, rolos de costura, rolos de acionamento.
• Peças de desgaste: Medidores, mandris, centros de torno e, ocasionalmente, guias ou cames, onde é necessária alta resistência ao desgaste.

Conclusão

A composição química de alto teor de carbono e cromo do aço D2 e sua microestrutura única rica em carbonetos garantem que ele continue sendo uma escolha confiável em oficinas industriais e entre usuários de ferramentas. Oferece alta resistência ao desgaste, alta dureza e boa relação custo-benefício. No entanto, suas desvantagens são igualmente evidentes: sua tenacidade não é particularmente alta, tornando-o inadequado para aplicações de alto impacto, e apresenta desafios significativos de usinagem. Independentemente disso, a proposta de valor do aço D2 permanece tão sólida hoje quanto era décadas atrás.