Compreendendo a dureza do aço H13

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A dureza do aço H13 é uma propriedade fundamental em suas aplicações. Aço H13 é um cromo 5% (Cr) amplamente utilizado aço para ferramentas de trabalho a quente, também conhecido como 4Cr5MoSiV1, 1.2344, SKD61, com teor de carbono de aproximadamente 0,4%. Pertence ao grupo H de aços para ferramentas, que apresentam resistência ao amolecimento em altas temperaturas.

Suas características incluem:

1. Dureza a Quente e Resistência ao Revenimento: O H13 apresenta boa "dureza vermelha" e mantém alta dureza e resistência a temperaturas elevadas, tornando-o resistente ao amolecimento térmico. Sua alta resistência ao revenimento permite suportar tratamentos superficiais de alta temperatura sem perda significativa da dureza do núcleo.
2. Boa resistência ao desgaste: Devido ao seu teor de vanádio, o H13 é muito resistente à abrasão e ao desgaste erosivo, especialmente em altas temperaturas. 
3. Tenacidade e resistência ao impacto: o H13 possui excelente resistência ao impacto e boa ductilidade.
4. Temperabilidade profunda: É um aço de têmpera profunda e endurecimento ao ar, permitindo que grandes seções sejam temperadas por resfriamento ao ar com tensões residuais mínimas.
5. Boa usinabilidade: Quando recozido adequadamente, o aço H13 apresenta um índice de usinabilidade de 70, comparado ao aço carbono 1%, que possui um índice de 100. Consulte [referência]. H13 Usinabilidade de aços para ferramentas.

Dureza do aço para ferramentas H13

Para o H13, aumentar a temperatura de têmpera pode aumentar a dureza revenida, mas tentativas de obter dureza excessivamente alta podem levar a pouco ou nenhum ganho adicional de dureza, causando uma forte perda de tenacidade. Na prática, para matrizes, chega-se a um acordo, onde as matrizes são revenidas a níveis de dureza próximos ao máximo, nos quais ainda possuem tenacidade suficiente para suportar a carga.

O processo de têmpera é crucial para ajustar a dureza e, mais importante, para aumentar a tenacidade e aliviar tensões internas em ferramentas temperadas. 

1. Após a têmpera ao ar, a faixa de dureza do aço H13 é de 52–54 HRC.
2. Após o revenimento em diferentes temperaturas, as propriedades mecânicas longitudinais das barras de aço H13 à temperatura ambiente são as seguintes:

3. Para ferramentas de fundição sob pressão, a dureza de trabalho ideal para o aço H13 é tipicamente de 44 a 48 HRC. Para ferramentas que exigem resistência a choques, o valor ideal é de 40 a 44 HRC. O aço H13 combina boa dureza a quente, resistência à abrasão e resistência à fissuração térmica em níveis de dureza que variam de 45 a 50 HRC.
4. A dureza típica do núcleo para H13 após nitretação é de ~45 HRC, com dureza superficial excedendo 1000 HV (>70 HRC).
5. Quando utilizado em processos de extrusão, o H13 apresenta dureza de 48 a 52 HRC para punções e matrizes. Em forjamento a martelo e forjamento por prensa mecânica, as matrizes H13 apresentam dureza de 47 a 56 HRC.

Fatores que influenciam a dureza H13

Dois fatores influenciam a dureza do aço H13: a composição química e o processo de tratamento térmico.

A dureza, resistência, resistência ao desgaste e resistência ao revenido do H13 provêm principalmente de seus elementos de liga, em especial o vanádio (V). Comparado ao H11, o H13 possui um teor de vanádio mais elevado, promovendo a dispersão de carbonetos de vanádio do tipo MC de alta dureza.

Em nível microscópico, a dureza do H13 depende de dois fatores: a dureza da matriz martensítica e a quantidade e o tipo de carbonetos distribuídos nela. Durante o revenido, a coprecipitação de carbonetos do tipo MC, juntamente com carbonetos ricos em molibdênio (M6C) e carbonetos ricos em cromo (M23C6), é o principal fator responsável pelo efeito de endurecimento secundário.

Durante o processo de tratamento térmico do aço H13, a temperatura padrão de austenitização é de aproximadamente 1030 °C, a qual determina a quantidade de carbono e elementos de liga que podem se dissolver na matriz austenítica. Quanto mais completa a dissolução, maior a dureza da martensita formada após o resfriamento rápido. O aço H13 apresenta uma curva de revenido relativamente plana, resultando em valores de dureza semelhantes em uma ampla faixa de temperatura.

* Todos os espécimes foram resfriados ao ar a partir de 1025 °C (1875 °F) e temperados por 2 h à temperatura ambiente. AQ, temperado. Consulte Tratamento térmico de aço H13.

Dureza e tenacidade do aço H13

Existe uma relação inversa significativa entre dureza e tenacidade. Embora o aumento da dureza melhore a resistência de um molde ao desgaste e à deformação plástica, isso inevitavelmente ocorre à custa da tenacidade do aço. Dados experimentais indicam que, à medida que a dureza do aço H13 aumenta, sua energia de impacto Charpy V-notch apresenta uma tendência decrescente.

Portanto, em aplicações práticas de engenharia, evite buscar a dureza máxima de H13. Uma dureza excessivamente alta leva a uma redução acentuada na tenacidade, aumentando significativamente o risco de fissuras e falhas prematuras no molde.

Para aplicações sujeitas a impactos severos, como matrizes de forjamento a quente, geralmente recomenda-se controlar a dureza na extremidade inferior da faixa recomendada, por exemplo, 40–44 HRC, para priorizar a resistência da matriz e evitar fraturas frágeis.

Aumento da dureza superficial: Nitretação do aço H13

Para aplicações que exigem dureza superficial extremamente alta, o H13 é um excelente material candidato para tratamento de nitretação. A principal razão pela qual o H13 responde bem ao processo de nitretação reside em seu alto teor de cromo (Cr).

A nitretação é um processo de tratamento termoquímico que envolve a difusão de nitrogênio na superfície do aço, onde ele se combina com elementos de liga, como o cromo, presentes no substrato, formando nitreto de cromo extremamente duro e criando uma camada protetora resistente. Dados indicam que o aço H13 pós-nitretação pode atingir uma dureza superficial próxima a 1100 HV. Essa dureza superficial excepcional se traduz diretamente em uma excelente resistência ao desgaste, tornando-o altamente adequado para processos de conformação em altas temperaturas com abrasão severa, como forjamento a quente e extrusão.

Além de sua excepcional dureza superficial, outra vantagem significativa do H13 durante a nitretação é a estabilidade do seu núcleo. Muitos aços diferentes sofrem um amolecimento significativo no núcleo durante o processo de nitretação em alta temperatura, resultando em resistência insuficiente. O H13, no entanto, mantém uma excelente dureza no núcleo em temperaturas de nitretação, tipicamente em torno de 45 HRC. Essa combinação de uma camada superficial de alta dureza e um núcleo de alta resistência permite que ele suporte condições exigentes, envolvendo desgaste severo e exposição a impactos fortes ou cargas unitárias extremamente elevadas. Isso impede que a camada endurecida superficialmente se desprenda devido ao colapso da matriz.

Links relacionados

• Aço-liga 4340 | 34CrNiMo6 | 1,6582
• Guia de Tratamento Térmico de Aço para Ferramentas M2
• Guia de Tratamento Térmico de Aço H13
• Entendendo o aço ferramenta de têmpera ao ar (como o H13)
• Guia completo para aplicações do aço ferramenta H13: fundição sob pressão, forjamento e ferramentas para altas temperaturas.