Aço para ferramentas D2 | 1.2379 | SKD11

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O aço para ferramentas D2 é um aço para ferramentas de trabalho a frio com alto teor de carbono e alto teor de cromo, endurecido ao ar. Suas características incluem: alta temperabilidade, alta dureza e resistência ao desgaste, boa resistência à oxidação em alta temperatura, resistência ao impacto após têmpera e revenimento e deformação mínima durante o tratamento térmico. Essas características são utilizadas na fabricação de matrizes, ferramentas e medidores de trabalho a frio de grandes seções e formas complexas, que exigem alta precisão e longa vida útil.

A designação no sistema ASTM A681 dos EUA é D2. O grau também é aço para ferramentas AISI D2 no sistema AISI. Designações semelhantes em outras normas nacionais incluem ISO 160CrMoV12, Japão/JIS SKD11, EUA/UNS T30402, Alemanha/DIN X155CrMo12-1, Alemanha/W-Nr. 1.2379, República Tcheca (CSN) 19221 e China/GB Cr12Mo1V1 ou Cr12MoV.

1. Aplicações

• Matrizes e punções de corte
• Matrizes e punções de conformação
• Desenhos Morre
• Matrizes de laminação
• Lâminas de tesoura e facas de corte
• Matrizes e punções de extrusão a frio
• Rolos
• Medidores e ferramentas de brunimento
• Moldes de plástico
• Acabamento a quente de peças forjadas
• Componentes Estruturais

2. Composição do Aço D2¹

A composição das notas equivalentes

3. Tratamento térmico do aço D2

Como William E. Bryson descreve em seu livro Tratamento térmico, seleção e aplicação de aços para ferramentas, o tratamento térmico O aço para ferramentas D2 é frequentemente comparado ao cozimento, onde o controle preciso do tempo e da temperatura é fundamental para evitar o cozimento insuficiente (levando à falta de dureza) ou o cozimento excessivo (destruindo a estrutura molecular e causando fragilidade). As etapas a seguir descrevem o processo.

Temperaturas críticas e de austenitização do aço ferramenta D2

3.1 Preparação e pré-aquecimento do material

Antes do tratamento térmico, o material deve ser cuidadosamente desengordurado e de preferência envolto em folha de aço inoxidável para proteger sua superfície. Devido ao alto teor de cromo e à baixa condutividade térmica deste aço, ele deve ser pré-aquecido lenta e uniformemente até a temperatura desejada para minimizar o risco de rachaduras durante o aquecimento. A temperatura desejada é 1200°F (650°C), e o tempo de aquecimento é 10 a 15 minutos.

O objetivo de todo o processo de pré-aquecimento é garantir que o calor seja distribuído uniformemente por todo o material, permitindo que as tensões internas sejam liberadas antes que o material fique muito mole e sua plasticidade aumente, evitando assim a deformação.

3.2 Austenitização (endurecimento)

Esta é a segunda etapa do tratamento térmico, durante a qual a estrutura do material muda de ferrita-perlita para austenita, e vários carbonetos de liga complexos são dissolvidos. A temperatura de aquecimento para esta etapa é 1850°F (1010°C), com um tempo de imersão de 1 hora por 1 polegada (25 mm) de seção transversal. Este tempo de imersão garante que o processo de austenitização ocorra de forma uniforme. No entanto, é importante observar que um tempo de imersão excessivamente longo, mesmo que apenas alguns minutos, pode ter um impacto negativo no aço.

3.3 Têmpera

O aço ferramenta D2 é um aço endurecível ao ar, cuja vantagem reside na minimização da deformação e das alterações dimensionais durante a formação de martensita. O processo envolve as seguintes etapas: Depois de imersão, o material é resfriado rapidamente até aproximadamente 150°F (65°C). Durante este processo, quando a temperatura atinge 1050°F (565°C) e antes que o material se transforme em uma estrutura endurecida em 400°F (205°C), a peça de trabalho pode ser removida da embalagem de alumínio e colocada em uma grade de resfriamento. Deve-se ter cuidado para evitar colocar o material diretamente sobre uma superfície fria da mesa, pois isso pode causar flutuações localizadas de temperatura e resultar em deformação. Do ponto de vista microestrutural, esse processo transforma a estrutura interna do aço em martensita de granulação mais fina, conferindo excelente resistência ao desgaste ao D2.

Após a têmpera adequada, o material ainda contém uma certa proporção de “austenita residual”, com o teor ideal de martensita variando de 95% a 96%.

3.4 Têmpera

O revenimento melhora a tenacidade do aço, reduz as tensões internas e torna o aço para ferramentas D2 temperado secundáriamente. O revenimento deve ser realizado imediatamente quando a temperatura do material cair para 125°F a 150°F (52°C a 65°C).

Se D2 for apenas temperado uma vez, a temperatura de têmpera é 400°F (205°C) para atingir uma dureza Rockwell de 62HRC.

Recomendamos usar um processo de têmpera secundária para D2, o que pode melhorar sua resistência ao desgaste por 20-30%.

No processo de têmpera secundária, o a primeira temperatura de revenimento é de 960°F (515°C) por 2 horas por polegada (25 mm) de seção transversalAntes do segundo revenimento, ou seja, durante o intervalo entre o primeiro e o segundo revenimento, o material deve ser resfriado à temperatura ambiente antes do segundo revenimento. Este período pode durar várias horas. Também pode levar vários dias, mas o ponto-chave é que o segundo revenimento deve NÃO começam a 150°F (65°C), que é uma temperatura completamente diferente da têmpera simples mencionada anteriormente. a segunda temperatura de revenimento é de 900°F (480°C) por 2 horas por polegada de seção transversal. O segundo revenimento atinge uma dureza Rockwell de 58 HRC.

Enquanto D2 tem dureza secundária fraca, a têmpera em temperaturas mais altas (por exemplo, ~550°C/1020°F) pode ser usada para atingir uma dureza de 60 HRC, melhorando assim a estabilidade durante nitretação ou outros métodos de endurecimento superficial. No entanto, isso pode levar ao aumento da austenita retida e ao crescimento de grãos, potencialmente diminuindo a tenacidade e causando instabilidades microestruturais.

3.5  Tratamento Criogênico/Sub-Zero (Opcional)²

Este processo visa eliminar ou reduzir a austenita residual e aumentar a estabilidade dimensional do material. Como o aço para ferramentas D2 pode reter uma quantidade significativa de austenita (até 20%) após o tratamento térmico padrão, isso pode levar à instabilidade dimensional, pois a austenita retida se transforma espontaneamente em martensita não revenida ao longo do tempo, à temperatura ambiente.

O processo envolve as seguintes etapas: Após o tratamento de alívio do estresse (aproximadamente 150°C), o material é resfriado a uma temperatura extremamente baixa (aproximadamente -300°F/-184°C), aproximando-se ou abaixo da temperatura final de Mf. O revenimento subsequente ainda é necessário para evitar a fragilidade causada pela martensita fresca recém-formada.

Esse processo cria uma estrutura molecular mais compacta dentro do material (reduzindo o atrito, o calor e o desgaste), reduz o estresse residual e aumenta a resistência à tração, a tenacidade e a estabilidade dimensional, melhorando significativamente o desempenho do material.

3.6 Problemas potenciais

1. A austenita residual pode causar instabilidade dimensional nos materiais, especialmente em temperaturas de austenitização mais altas. Têmpera controlada, tempos de retenção precisos e revenimento duplo e triplo são empregados para gerenciar esse processo.
2. Fatores como aquecimento e resfriamento não uniformes, transformações de fase (especialmente a formação de martensita) e tensões residuais durante o tratamento térmico podem causar deformações e trincas nos materiais. Portanto, é importante garantir aquecimento lento e uniforme, meios de têmpera adequados e tratamento para alívio de tensões.
3. O aço D2 é suscetível à descarbonetação. Recomendamos o aquecimento dos materiais D2 em atmosfera neutra controlada, vácuo ou forno de sal neutro para evitar a descarbonetação.

3.7 Forjamento

O aço ferramenta D2 deve ser pré-aquecido lenta e uniformemente para 900 °C (1650 °F) antes do aquecimento até as temperaturas de forjamento. O D2 tem baixa condutividade térmica, por isso deve ser aquecido lentamente. O aquecimento muito rápido pode causar rachaduras no material.

Após o pré-aquecimento, a temperatura inicial de forjamento do aço D2 é 980–1095 °C (1800–2000 °F). Para seções grandes ou reduções pesadas, a extremidade mais alta dessa faixa deve ser usada, enquanto que para seções menores ou reduções mais leves, a extremidade mais baixa é mais apropriada.

É importante observar que a temperatura durante o forjamento do aço D2 não deve cair abaixo de 900°C (1650°F). Se a temperatura cair abaixo desse nível, o aço deve ser reaquecido antes do forjamento.

O aço ferramenta D2 pode derreter parcialmente em aproximadamente 1150°C (2100°F), portanto a temperatura de forjamento deve ser rigorosamente controlada.

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4. Propriedades do Aço D2

4.1 Propriedades Mecânicas Básicas

Apresenta alta resistência à compressão, principalmente quando revenido em temperaturas mais baixas. Essa resistência está diretamente relacionada ao nível de dureza; à medida que a temperatura de revenimento aumenta, tanto a dureza quanto a resistência à compressão tendem a diminuir.

4.2 Dados do teste de tração³

4.3 Dureza do aço D2

A dureza é uma característica definidora de Propriedades do aço D2.

4.3.1 Como temperado: Dependendo da temperatura de austenitização e do método de têmpera ao ar ou óleo, é no Faixa de 60-65 HRC.

4.3.2 Após a têmpera: Os níveis de dureza são ajustados de acordo com a temperatura de têmpera. Por exemplo:

• A têmpera a 205°C (400°F) pode resultar em aproximadamente 61 HRC.
• A têmpera a 425°C (800°F) pode render cerca de 55 HRC.
• O revenimento a 650°C (1200°F) normalmente reduz a dureza para cerca de 40 HRC.

Faixas típicas de dureza de trabalho do aço D2 de 60 a 62 HRC. A dureza inicial das seções de matriz de aço para ferramentas D2 é em torno de 255 HB (Dureza Brinell).

4.3.3 Endurecimento da superfície: O metal D2 responde bem à nitretação iônica, capaz de atingir dureza superficial 750-1200 HV (Dureza Vickers) com uma dureza central entre 61-64 HRC, em profundidade rasa (5-8 micrômetros).

4.4 Ductilidade e Tenacidade

• A tenacidade do material D2 é moderada, o que é superior a graus como Aço ferramenta D3. Comparado com outros aços da série D com maior teor de carbono, o aço D2 tem um bom equilíbrio entre resistência ao desgaste e tenacidade.
• Ensaios de tração frequentemente mostram um modo de fratura dúctil, caracterizado por estruturas em forma de covinha. No entanto, este material pode apresentar uma superfície de fratura plana com estreitamento mínimo e baixa redução de área (por exemplo, em torno de 1,3% em alguns ensaios).
• O Módulo de Tenacidade foi medido em 81 MPa, com uma deformação de fratura de 1,97%.
• O aço D2 apresenta resistência e ductilidade anisotrópicas, o que é atribuído ao alongamento dos carbonetos da liga primária durante o trabalho a quente. A resistência e a ductilidade máximas do aço D2 ocorrem tipicamente ao longo da direção de laminação.

4.5 Estabilidade Dimensional

• Apresenta distorção mínima em comparação com muitos outros aços para ferramentas. Quando resfriado ao ar a partir da temperatura de têmpera correta, a expansão ou contração é de aproximadamente 0,0005 polegadas por polegada (ou mm/mm).
• Fatores como geometria da peça e distorções existentes podem influenciar o movimento total.
• Após retificação, soldagem, eletroerosão e outros processos, recomenda-se fortemente o revenimento com alívio de tensões. A temperatura de revenimento é geralmente 14-28 °C (25-50 °F) mais baixa que a temperatura final de revenimento.

4.6 Resistência ao desgaste

Possui excelente resistência à abrasão, servindo frequentemente como referência para outros aços para ferramentas. Essa alta resistência ao desgaste é diretamente atribuída ao volume substancial de carbonetos duros ricos em cromo em sua microestrutura. Isso torna o D2 um material preferencial para ferramentas sujeitas a condições abrasivas e longos ciclos de produção. Sua resistência ao desgaste é cerca de 30-40% superior à do aço para ferramentas A2.

4.7 Considerações de processamento para aço D2

Apresenta usinabilidade relativamente baixa. Se o aço com teor de carbono de 1% for classificado como 100, o D2 será classificado como 45 para usinabilidade no estado recozido. Pode ser difícil de trabalhar e retificar, e sua soldabilidade com métodos tradicionais é muito baixa.

5. Vantagens e desvantagens do aço D2

5.1 Vantagens

• Alta resistência ao desgaste: O maior teor de carbono e cromo do aço D2 resulta na formação de uma grande quantidade de carbonetos ricos em cromo em sua microestrutura, conferindo-lhe excelente resistência ao desgaste. Sua resistência ao desgaste é de 30% a 40% superior à do aço A2.
• Características de endurecimento ao ar: O aço D2 é um aço endurecível ao ar que permite deformação e deslocamento mínimos durante o processo de endurecimento, tornando-o adequado para aplicações com altos requisitos de tolerância dimensional.
• Estabilidade dimensional: O D2 apresenta boa estabilidade dimensional no tratamento térmico, com distorção mínima. Quando resfriado ao ar a partir da temperatura de endurecimento adequada, pode-se esperar que se expanda ou contraia em aproximadamente 0,0005 pol./pol. (0,0005 mm/mm).
• Boa Resistência (Moderada/Razoável): Embora muitas vezes seja considerado um pouco frágil em comparação a outros aços, o D2 possui tenacidade moderada ou razoável para sua classe. 
• Alta Resistência e Dureza: D2 é um aço para ferramentas de alta resistência e dureza, com uma faixa de dureza de 60-62 HRC. É resistente ao amolecimento.
• Custo-efetividade: O teor de molibdênio e vanádio do aço D2 não é particularmente alto, o que traz vantagens de custo para os usuários.
• Resistência à corrosão e boa resistência a manchas: Possui boa resistência à corrosão e seu alto teor de cromo torna o aço D2 com resistência apreciável a manchas após as ferramentas serem temperadas e polidas.
• Endurecimento profundo: D2 é um aço de têmpera profunda. Pode ser totalmente temperado em um bloco grande (por exemplo, 75 mm × 150 mm × 250 mm ou 3 pol. × 6 pol. × 10 pol.) por resfriamento ao ar após austenitização.
• Endurecimento secundário: O molibdênio e o vanádio no aço D2 permitem o endurecimento secundário após o revenimento.

5.2 Desvantagens

• Baixa Usinabilidade: O aço D2 é muito duro e difícil de usinar.
• Fragilidade: D2 é considerado um tanto quebradiço e tem baixa tenacidade.
• Dificuldade de soldagem: O aço para ferramentas D2 é geralmente conhecido por ser difícil de soldar (não soldável). É particularmente difícil obter uma junta soldada de alta qualidade por métodos de soldagem convencionais devido ao seu alto teor de carbono e à quantidade significativa de carbonetos.
• Austenita retida: Após o endurecimento, o D2 pode reter uma quantidade significativa de austenita (até 20%) que não se transforma em martensita. Isso pode levar à instabilidade dimensional ao longo do tempo, pois a austenita retida pode se transformar espontaneamente em martensita não revenida à temperatura ambiente, causando uma alteração no tamanho físico do componente. 
• Melhoria limitada da tenacidade por meio da redução da dureza: A tenacidade do aço D2 só pode ser melhorada até certo ponto, e é difícil controlar sua dureza em temperaturas de revenimento extremamente altas.
• Não é aço inoxidável Resistência à corrosão: Seu alto teor de cromo não é suficiente para fornecer o nível de resistência à corrosão característico do aço inoxidável, já que grande parte do cromo é incorporado em carbonetos de liga.

6. Soldagem de aço D2

O aço D2 contém uma grande quantidade de carbonetos, o que dificulta a soldagem. Se for necessário soldar o aço D2, é altamente recomendável pré-aquecer o aço D2; caso contrário, podem ocorrer rachaduras ou a vida útil do material pode ser reduzida.

6.1 Preparação e pré-aquecimento

Antes de soldar, remova todos os cavacos soltos e esmerilhe quaisquer rachaduras, de preferência criando um canal em forma de “U” em vez de um formato de “V”, pois ângulos agudos podem induzir rachaduras.

A temperatura de pré-aquecimento pode ser ajustada entre 140 °C e 450 °C, dependendo da ferramenta específica. Para reparos severos, recomenda-se uma temperatura de pré-aquecimento de pelo menos 300 °C a 400 °C. A temperatura de pré-aquecimento deve ser alcançada de forma gradual e uniforme. É essencial garantir que a temperatura durante o processo de soldagem não se desvie da temperatura de pré-aquecimento em mais de 100 °C.

6.2 Materiais de enchimento

• Para união geral de peças quebradas ou como camada de proteção para grandes reparos, Fio de enchimento de aço inoxidável 312 (0,1% C, 1,6% Mn, 30% Cr, 9% Ni, 26 HRC, alongamento 25%) é uma excelente escolha.
• Quando a dureza não é a principal preocupação, mas sim a composição química, sugerimos Fio de enchimento de aço inoxidável 410 (0,1% C, 14,5% Cr, 40 HRC).
• Para ferramentas D2 altamente polidas ou fotogravadas, uma ferramenta modificada Arame de enchimento de aço inoxidável 420 para ferramentas (cromo 13% modificado, 52-56 HRC) é recomendado. 

6.3 Tratamento pós-soldagem

Após a soldagem do material D2, ele deve ser resfriado lentamente, por exemplo, enterrando-o em vermiculita ou areia seca. Para peças D2 endurecidas que foram soldadas, alívio do estresse e tratamento de temperamento são necessários. A temperatura de alívio de tensão é de 400°F (205°C), seguida de revenimento a uma temperatura 25°F (14°C) menor que a temperatura de revenimento original.

7. Usinabilidade do aço D2

Como mencionado diversas vezes, o D2 é um aço com alto teor de carbono e alto teor de cromo, considerado difícil de usinar e retificar. Sua usinabilidade é descrita como "particularmente ruim" ou "baixa a muito baixa". Quando comparado a um aço carbono 1% com classificação 100, o D2 tem uma classificação de usinabilidade de 45. Para efeito de comparação, o aço para ferramentas O1 apresenta excelente usinabilidade, enquanto o D2 apresenta melhor resistência ao desgaste.

Os métodos tradicionais de usinagem incluem fresamento, furação ou torneamento. Após a usinagem, a superfície D2 pode apresentar alterações como rugosidade (R), deformação plástica (PD), microfissuras (MCK), martensita não revenida (UTM) e martensita superrevenida (OTM).

8. Como fabricamos o aço para ferramentas D2

Fornecemos principalmente aço forjado D2 para ferramentas. Adquirimos lingotes de aço D2 de uma fundição em forno a arco elétrico (FEA), com a opção de incluir tratamento ESR mediante solicitação do cliente. Após a verificação da composição e microestrutura dos tarugos e lingotes, procedemos ao forjamento. Após o forjamento em barras redondas ou chatas, o material passa por tratamento térmico. Por fim, com base nas necessidades do cliente, é realizado o tratamento de superfície, incluindo a remoção de carepa ou o acabamento.

9. Comparação do D2 com outros aços

• Aço D2 vs. 440CO aço D2 apresenta resistência à corrosão significativamente menor que o aço 440C. Em aplicações onde o aço D2 é utilizado, a resistência à corrosão não é a principal consideração; em vez disso, a resistência ao desgaste e a estabilidade dimensional são as principais prioridades. O aço 440C é ideal quando se exige um equilíbrio entre alta dureza, resistência ao desgaste e boa resistência à corrosão, tornando-o adequado para ferramentas de corte, instrumentos cirúrgicos e aplicações de rolamentos em ambientes corrosivos.
• Aço D2 vs. 4140O aço D2 apresenta excelente resistência ao desgaste e estabilidade dimensional, tornando-o uma escolha ideal para aços de matriz trabalhados a frio; no entanto, apresenta baixa tenacidade e usinabilidade. O aço 4140, por outro lado, é um aço de engenharia mais versátil que oferece um equilíbrio robusto entre resistência e tenacidade, adequado para uma gama mais ampla de componentes de máquinas, particularmente aqueles que exigem boa resistência ao impacto e facilidade de processamento. Suas propriedades podem ser ainda mais personalizadas por meio de diversos tratamentos térmicos e modificações de superfície, como a nitretação.
• Aço para ferramentas D2 vs D3Ambos são representantes importantes da série D de aços. Em termos de composição, o aço D2 contém elementos Mo e V, o que o torna mais caro que o aço D3; no entanto, seu desempenho também é mais confiável.

10. Fornecimento de formas e dimensões

O aço para ferramentas D2 que fornecemos está disponível em diversos formatos, incluindo barras redondas, chapas, placas, barras planas, barras quadradas e blocos. As dimensões da barra plana variam de: largura 20 a 600 mm × espessura 20 a 400 mm × comprimento 1.000 a 5.500 mm. As dimensões da barra redonda variam de um diâmetro de 20 a 400 mm × comprimento de 1.000 a 5.500 mm. As dimensões do bloco são obtidas cortando a barra plana.

Para tamanhos menores, como barras redondas com diâmetro inferior a 70 mm, utilizamos o processo de laminação a quente. Para tamanhos superiores a 70 mm, oferecemos produtos forjados.

Também oferecemos o processo ESR (Refusão por Eletroescória), que é personalizado para atender às necessidades do cliente. A vantagem é uma melhor microestrutura interna, mas tem um custo mais elevado. Entre em contato conosco para obter informações específicas.

Teste UT: setembro de 1921-84 D/d, E/e. 

Tratamento de superfície: acabamentos de superfície originais pretos, descascados, usinados/torneados, polidos, retificados ou fresados.

Status do estoque: Não mantemos estoque de aço D2. Organizamos a produção com base nos pedidos dos clientes.

Prazo de entrega: Materiais para forno elétrico a arco (EAF) levam de 30 a 45 dias. Materiais para ESR levam aproximadamente 60 dias.

1. Roberts, G., Krauss, G., & Kennedy, R. (1998). Aços para ferramentas: 5ª edição (p. 203). ASM Internacional. ↩︎
2. Reardon, AC (Ed.). (2011). Metalurgia para o não metalúrgico (2ª ed., p. 231). ASM Internacional. ↩︎
3. Di Schino, A. e Sugimoto, K. (Eds.). (2017). Propriedades mecânicas e microestrutura do aço forjado (pág. 151). MDPI. ↩︎

Perguntas frequentes