Aço H11 vs H13: Uma comparação detalhada de dois aços essenciais para matrizes de trabalho a quente

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H11 e H13 ambos os aços pertencem ao Instituto Americano do Ferro e do Aço (AISI) A série H de aços-ferramenta para trabalho a quente representa dois dos aços-ferramenta de cromo 5% mais utilizados. aços para ferramentas de trabalho a quente. Esses aços são materiais essenciais na fabricação, sendo sua principal vantagem a capacidade de manter excelente resistência e dureza mesmo sob condições de trabalho de alta temperatura.

Embora compartilhem semelhanças fundamentais em propriedades, diferenças sutis na composição química conferem a cada um vantagens de desempenho distintas. Portanto, em aplicações práticas, a escolha entre H11 e H13 deve ser feita cuidadosamente com base nas condições operacionais específicas do molde e na vida útil requerida.

Os aços H11 e H13 são ambos aços de média liga para endurecimento ao ar ou aços de ultra-alta resistência. Através de processos adequados de tratamento térmico, sua resistência ao escoamento 0,2% pode ser elevada a níveis muito superiores a 1380 MPa.

Classificação e Fundamentos Metalúrgicos Compartilhados

Os aços H11 e H13 pertencem à subcategoria de aços para trabalho a quente à base de cromo H10-H19. Compartilham a mesma base metalúrgica, caracterizada por um teor médio de carbono e altas concentrações de cromo e outros elementos formadores de carbonetos.

Equivalência entre as séries H11 e H13:

Esses dois tipos de aço compartilham três características principais:

Em primeiro lugar, são utilizadas em aplicações de trabalho a quente em altas temperaturas, como a fundição sob pressão de ligas de alumínio, e podem suportar condições de operação de até 600°C.

Em segundo lugar, todos eles apresentam temperabilidade extremamente alta e são aços de endurecimento ao ar. Mesmo componentes de aço de grandes dimensões podem ser totalmente endurecidos de dentro para fora, simplesmente por resfriamento ao ar. O resfriamento ao ar minimiza as tensões internas e as alterações dimensionais geradas durante o tratamento térmico.

Por fim, tanto o H11 quanto o H13 são aços de têmpera secundária. Eles devem ser revenidos a temperaturas acima de aproximadamente 510 °C para precipitar carbonetos de liga finos, alcançando assim o desempenho ideal. Esse processo de revenido em alta temperatura não só alivia as tensões de forma eficaz, como também é a principal razão pela qual mantêm um desempenho estável durante a operação em altas temperaturas. O limite superior dessa operação em alta temperatura deve permanecer abaixo da temperatura de revenido.

Composição química: a diferença do vanádio

A principal diferença entre os aços H11 e H13 reside sobretudo no seu teor de vanádio (V).

Composição H11 e H13

Essa diferença no teor de vanádio é o principal fator de diferenciação no desempenho mecânico:

Comparativo de desempenho: propriedades mecânicas

A principal diferença nas propriedades mecânicas entre H11 e H13 decorre de suas composições químicas, sendo que H13 possui um teor de vanádio mais elevado.

Em termos de resistência ao desgaste, o H13 oferece desempenho superior. Seu maior teor de vanádio promove a formação de abundantes carbonetos de vanádio duros, resultando em uma resistência ao desgaste que supera a do H11. Isso o torna altamente adequado para aplicações de alto desgaste, como forjamento a quente ou extrusão a quente.

No entanto, o H11 oferece tenacidade superior. As partículas de carboneto usadas no H13 para aumentar a resistência ao desgaste às vezes comprometem um pouco a tenacidade. Portanto, o H11 apresenta maior tenacidade à fratura.

Em termos de dureza térmica, ambos apresentam excelente desempenho, mas o H13 leva uma ligeira vantagem. Isso se deve, mais uma vez, ao fato de o H13 conter mais vanádio.

Tratamento térmico e fabricação de qualidade

Os processos de tratamento térmico para os aços H11 e H13 são cruciais para maximizar seu desempenho. Como ambos são aços de endurecimento ao ar, suas etapas fundamentais de tratamento térmico são muito semelhantes, incluindo tipicamente pré-aquecimento, austenitização, têmpera e revenido secundário ou terciário subsequente em alta temperatura.

Tratamento térmico padrão

Primeiro vem o pré-aquecimento, onde o aço deve ser pré-aquecido entre 790°C e 815°C antes de ser aquecido uniformemente até a temperatura final de forjamento ou austenitização.

A faixa de temperatura de austenitização para o aço H11 normalmente situa-se entre 995 °C e 1025 °C, enquanto a temperatura de austenitização para o aço H13 é ligeiramente superior, geralmente entre 995 °C e 1040 °C. Durante esta etapa, deve ser utilizada uma atmosfera protetora controlada para evitar a descarbonetação da superfície do aço.

O resfriamento rápido é a terceira etapa. Os aços H11 e H13 devem ser resfriados ao ar, pois esse método garante tensões residuais mínimas no material. Esses aços nunca devem ser resfriados em água.

Por fim, o revenido. Para obter endurecimento secundário e aliviar tensões, recomenda-se fortemente o revenido secundário ou múltiplos ciclos de revenido. A temperatura de revenido deve exceder o pico de endurecimento secundário de 510 °C. Especificamente para o aço H13, o revenido na faixa de 565 °C a 650 °C otimiza seu efeito de endurecimento secundário.

Aprimoramento da Qualidade (ESR/VAR)

Para atender às exigências de aplicações complexas, os aços das classes H11 e H13 são frequentemente submetidos a processos de fabricação especializados para aprimorar ainda mais sua qualidade e desempenho.

Em termos de melhoria da qualidade de fusão, esses dois aços frequentemente empregam tecnologias de fusão como: refusão por eletroescória (ESR) ou refusão por arco a vácuo (VAR). 

Em comparação com os aços fundidos convencionalmente, o processo ESR ou VAR aumenta significativamente a ductilidade e a tenacidade do material. O processo VAR, em particular, atinge níveis de impurezas extremamente baixos e alta uniformidade microestrutural. Para moldes de fundição sob pressão ou moldes de injeção de alto desempenho em aço H13, a refusão por ESR tornou-se um requisito comum de fabricação. Nossa empresa oferece materiais ESR H13 e H11.

Modificação de superfície

Para melhorar o desempenho da superfície, os aços H11 e H13 geralmente passam por tratamento de nitretação. A nitretação é um tratamento térmico químico que forma uma camada extremamente endurecida na superfície do aço. Os aços H11 e H13 atingem alta resistência interna e alta dureza superficial após a nitretação. O H13, em particular, apresenta excelente resposta à nitretação, com dureza superficial atingindo 1000-1200 HV. Além disso, a excepcional resistência do H13 ao revenido em altas temperaturas garante que seu núcleo interno mantenha sua alta resistência original, sem amolecimento durante o aquecimento de nitretação.

Critérios de Candidatura e Seleção

Ao escolher entre H11 e H13, a decisão envolve essencialmente equilibrar a alta resistência ao desgaste do H13 com a alta tenacidade do H11.

• Aplicações de Fundição Sob Pressão: Ambos são referências na indústria. O H13 possui a mais ampla gama de aplicações, sendo comumente utilizado para fundição sob pressão de ligas de alumínio, zinco e magnésio, enquanto o H11 é frequentemente utilizado para fundição sob pressão de alumínio e chumbo.
• Forjamento a quente e extrusão: O H13 é a opção mais versátil para matrizes de forjamento a quente. O H11 é comumente usado para punções e matrizes em forjamento de alumínio (HRC 44-48) ou para cilindros laminados a quente em pequenos lotes.
• Moldes de plástico: Ambos os materiais são adequados. O H13 é a melhor opção, especialmente o H13 refundido por ESR, que é a escolha preferencial para a fabricação de moldes de alta precisão e polimento, como lentes automotivas. O H11 é adequado para aplicações de moldagem de plástico em altas temperaturas, onde as temperaturas de operação excedem 300 °C.
• Componentes estruturais aeroespaciais: Ambos são ligas de ultra-alta resistência. O H11 é mais comumente usado em componentes de alta tensão, como trens de pouso de aeronaves e invólucros de foguetes, pois deve manter alta resistência em temperaturas elevadas. O H13 também foi amplamente utilizado no passado, mas sua aplicação nesse campo diminuiu com o surgimento de novos aços de alta tenacidade.

Resumo para Seleção:

Escolha H13 quando:

• Quando a principal exigência é alta resistência ao desgaste, o H13 contém níveis mais elevados de vanádio (V), permitindo a formação de carbonetos de vanádio mais dispersos e duros. Isso o torna superior ao H11 em ambientes de desgaste abrasivo, como extrusão a quente e forjamento de alta resistência ao desgaste.
• Quando se exige dureza a quente ideal e resistência ao revenimento, o H13 oferece estabilidade ligeiramente superior em temperaturas elevadas, preservando melhor a dureza e a resistência sob condições de alta temperatura.
• Para trabalhos a quente de uso geral e moldes de fundição sob pressão, o H13 continua sendo o aço ferramenta para trabalho a quente de uso geral mais utilizado, particularmente em aplicações de moldes de fundição sob pressão.

Escolha H11 quando:

• Quando se exige máxima resistência, o H11 oferece tenacidade à fratura e ductilidade superiores em comparação com o H13, tornando-o uma opção mais segura para aplicações que envolvem cargas de impacto, onde a prevenção de fissuras inesperadas no molde é crucial.
• Quando utilizado em componentes estruturais de alta resistência, o H11 resiste ao amolecimento e mantém alta resistência em temperaturas de até 540°C, sendo comumente usado em componentes aeroespaciais de alta tensão, como trens de pouso.

Dados suplementares

Reunimos dados confiáveis sobre H11 e H13, que esperamos serem úteis aos nossos leitores.

Comparação de outros parâmetros

Os aços ferramenta H11 e H13 compartilham muitas semelhanças em termos de suas propriedades mecânicas., tratamento térmico características e recursos de forjamento. A principal diferença está em sua faixa de dureza, sendo que o H13 oferece dureza um pouco mais alta para aplicações mais exigentes. A escolha entre esses dois aços depende dos requisitos específicos da aplicação pretendida, como o nível de resistência ao desgaste, a tenacidade e a estabilidade dimensional necessárias.

Propriedades de tração dos aços para ferramentas H11 e H13 em temperaturas elevadas

Observação:

• O "-" nas colunas de resistência ao escoamento do aço H13 indica que os dados não estavam disponíveis.
• A coluna Dureza à temperatura ambiente (HRC) mostra os valores antes e depois do teste, separados por vírgula.
• Dados da Teledyne VASCO. Allegheny Ludlum Industries e Universal-Cyclops Steel Corp. 

Resistência ao impacto CVN dos aços para ferramentas H11 e H13 em função da temperatura de teste.

Esse gráfico sugere que o H11 e o H13 se tornam mais resistentes ao impacto em temperaturas mais altas. Entretanto, o H13 é mais sensível às mudanças de temperatura, mostrando um aumento mais significativo na resistência ao impacto com o aumento da temperatura. 

Links relacionados

• Aço para ferramentas H11 | 1.2343 | SKD6
• Um guia completo sobre tratamento térmico de aço para ferramentas h11
• Guia de Tratamento Térmico de Aço H13
• Aplicações do Aço para Ferramentas H13
• Entendendo o aço ferramenta de têmpera ao ar (como o H13)