Aços para ferramentas da série H

Na seleção prática de aços para ferramentas, as classes mais comumente utilizadas são H10, H11, H13 e H21. Essas classes atendem aos principais requisitos para trabalho a quente: resistência à fissuração térmica, dureza a quente, tenacidade, estabilidade térmica e resistência ao desgaste a quente.

O que são aços ferramenta da série H?

Os aços-ferramenta da série H são aços-ferramenta ligados, projetados para trabalho a quente. A superfície da ferramenta deve manter dureza e resistência suficientes ao entrar em contato com metal quente ou material fundido. O corpo da ferramenta também deve resistir a trincas sob pressão, impacto e ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento.

A maioria dos aços da série H possui teor médio de carbono e contém cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio ou uma combinação desses elementos. Os aços para trabalho a quente com cromo, como o H11 e o H13, oferecem tenacidade e resistência à fissuração térmica. Os aços para trabalho a quente com tungstênio, como o H21, proporcionam maior dureza a quente e melhor resistência ao amolecimento em altas temperaturas.

A principal diferença entre os aços da série H não reside apenas na dureza. Cada aço apresenta um equilíbrio diferente entre tenacidade, resistência à fadiga térmica, dureza a quente e resistência ao desgaste.

Aços para ferramentas da série H com classes equivalentes

O aço H13 / 1.2344 / SKD61 é o mais comum no fornecimento internacional de aços para ferramentas de trabalho a quente. O H11 / 1.2343 / SKD6 é semelhante ao H13, mas prioriza a tenacidade. O H21 / 1.2581 / SKD5 segue uma composição de liga diferente, pois a adição de tungstênio melhora a resistência ao amolecimento em altas temperaturas.

Composição química e elementos de liga dos aços ferramenta da série H

A composição química dos aços ferramenta da série H determina sua resposta à têmpera, dureza a quente, tenacidade, resistência ao revenido e resistência ao desgaste a quente. A tabela abaixo mostra as faixas típicas de composição química. Os valores exatos devem seguir a norma exigida, a especificação de compra e o certificado de ensaio de fábrica.

Composição química típica

Os aços H11 e H13 são aços para trabalho a quente à base de cromo-molibdênio-vanádio. O H13 geralmente possui maior teor de vanádio que o H11, apresentando, portanto, maior resistência ao desgaste e maior capacidade de endurecimento secundário. O H11, por sua vez, mantém melhor tenacidade devido ao seu menor teor de vanádio.

O aço H21 utiliza tungstênio como principal elemento de liga. Isso melhora a dureza a quente e a resistência ao amolecimento em altas temperaturas, mas reduz a tenacidade em comparação com os aços para trabalho a quente com cromo.

Como os elementos de liga afetam o desempenho

Propriedades dos aços ferramenta da série H

Os aços ferramenta da série H são selecionados para matrizes de trabalho a quente por combinarem dureza a quente, tenacidade, resistência à fadiga térmica, temperabilidade e resistência ao revenido. Essas propriedades devem funcionar em conjunto. Uma matriz com alta dureza, mas baixa tenacidade, pode trincar prematuramente. Uma matriz com boa tenacidade, mas baixa dureza a quente, pode deformar-se ou amolecer durante o uso.

Principais propriedades em ferramentas para trabalho a quente

Direção da propriedade por nível

Dureza a quente e resistência ao amolecimento

A dureza a quente mede a capacidade do aço de manter sua dureza e resistência em altas temperaturas. Essa propriedade é importante quando a ferramenta está em contato prolongado com metal quente ou opera em altas temperaturas superficiais.

Os aços H11 e H13 suportam muitas condições comuns de trabalho a quente. O H21 oferece maior resistência ao amolecimento devido ao seu alto teor de tungstênio. Isso torna o H21 útil para condições de usinagem em temperaturas mais elevadas, especialmente onde abrasão e erosão ocorrem simultaneamente.

A dureza a quente não deve ser considerada isoladamente. Em matrizes de alto impacto, um aço cromo para trabalho a quente mais resistente pode ter um desempenho melhor do que um aço tungstênio de liga mais alta.

Resistência e durabilidade

A tenacidade ajuda uma ferramenta a resistir a rachaduras sob impacto, pressão, cantos vivos e espessura de seção irregular. Matrizes de forjamento a quente, mandris, punções e ferramentas de suporte geralmente precisam dessa propriedade.

O H11 possui um alto nível de tenacidade entre os aços da série H mais comuns. O H13 também apresenta boa tenacidade, mas oferece uma combinação mais equilibrada de resistência à fissuração térmica e ao desgaste. O H21 requer maior cuidado no uso em ferramentas sujeitas a impactos, pois sua composição metálica prioriza a dureza a quente em detrimento da tenacidade.

Resistência à fadiga térmica e fissuração por calor

A fadiga térmica ocorre quando a superfície da ferramenta aquece e esfria repetidamente. Com o tempo, isso pode produzir microfissuras superficiais, conhecidas como trincas térmicas. Matrizes de fundição sob pressão, matrizes de forjamento a quente e ferramentas de extrusão frequentemente falham dessa maneira.

O aço H13 é amplamente utilizado por combinar resistência à fissuração térmica com tenacidade e resistência ao desgaste. O aço H11 pode ser útil quando o risco de fissuração é maior. Tratamento térmico adequado, condição da superfície, práticas de resfriamento e dureza de trabalho influenciam a resistência à fissuração térmica.

Uma dureza de trabalho moderada geralmente proporciona uma vida útil da matriz melhor do que a dureza máxima. Dureza excessiva pode aumentar o risco de fissuras, especialmente em matrizes ou ferramentas grandes submetidas a ciclos térmicos severos.

Temperabilidade e Estabilidade Dimensional

Muitas ligas da série H possuem boa temperabilidade e podem ser endurecidas por resfriamento ao ar ou resfriamento controlado. Isso reduz a distorção em comparação com métodos de têmpera mais severos.

Os aços H11 e H13 são amplamente utilizados em ferramentas de trabalho a quente de grande porte, pois desenvolvem dureza relativamente uniforme após tratamento térmico adequado. O alívio de tensões após o desbaste pode reduzir a distorção durante o endurecimento final, especialmente em ferramentas com cavidades profundas ou seções irregulares.

A estabilidade dimensional ainda depende do tamanho da ferramenta, do controle do forno, do pré-aquecimento, do método de têmpera e das práticas de revenimento.

Tratamento térmico de aços ferramenta da série H

O tratamento térmico controla a dureza final, a tenacidade, a resistência à fadiga térmica e a vida útil da matriz dos aços ferramenta da série H. O tratamento térmico em alta temperatura deve ser realizado em um ambiente controlado, como um forno a vácuo, um forno de atmosfera controlada ou um banho de sal neutro. O controle inadequado da atmosfera pode causar oxidação, cementação ou descarbonetação.

Principais processos de tratamento térmico

A normalização geralmente não é recomendada para aços ferramenta da série H. Muitos desses aços possuem alta temperabilidade e podem sofrer endurecimento parcial durante o resfriamento ao ar.

Faixas típicas de tratamento térmico

Os valores a seguir são faixas de referência típicas. O processo real deve ser ajustado pela instalação de tratamento térmico de acordo com o tamanho da ferramenta, o tipo de forno, o método de têmpera e a dureza de trabalho necessária.

After hardening, tools should be tempered promptly. Double or triple tempering helps reduce retained austenite, internal stresses, and the risk of cracking. Many H-series tools are tempered at high temperature, often around 540-650 °C, depending on grade and required hardness.

Aplicações e Seleção de Notas

A melhor classe da série H depende do material da peça, da temperatura da superfície, da carga de impacto, das práticas de refrigeração e do principal modo de falha. A tabela abaixo reúne a lógica de aplicação e seleção em um só lugar para evitar a repetição das descrições das classes em seções separadas.