Aço para ferramentas H13 destaca-se como uma potência na categoria de trabalho a quente, amplamente reconhecida por sua combinação excepcional de dureza a quente, tenacidade e resistência à fadiga térmica. Suas propriedades únicas o tornam um material indispensável em aplicações exigentes de alta temperatura, como moldes de fundição sob pressão, matrizes de forjamento a quente e ferramentas de extrusão a quente. Essa ampla adoção reforça sua comprovada confiabilidade e desempenho em ambientes onde outros aços falhariam rapidamente.
No entanto, mesmo os materiais mais robustos, como o H13, possuem limitações inerentes que, se não forem devidamente compreendidas e gerenciadas, podem levar a falhas prematuras e dispendiosas. O desempenho de qualquer ferramenta não depende apenas das propriedades inerentes do aço, mas também, de forma crítica, do projeto adequado, da fabricação precisa, do tratamento térmico adequado e da manutenção diligente. Lidar com essas complexidades com sucesso é fundamental para liberar todo o potencial do H13 e maximizar a vida útil da ferramenta.
Este artigo fornece um exame abrangente das limitações materiais inerentes do H13, destacando os desafios significativos associados ao seu processamento e tratamento térmico crítico, e analisando os modos comuns de falha em serviço.
Limitações inerentes do material H13
Embora o aço para ferramentas H13 demonstre desempenho excepcional em aplicações exigentes, suas limitações inerentes ao material devem ser totalmente compreendidas e gerenciadas adequadamente pelos usuários para garantir desempenho e vida útil ideais.
Resistência à corrosão: uma fraqueza crítica
Embora o aço para ferramentas H13 contenha aproximadamente 5% de cromo (Cr), ele não é aço inoxidável e não apresenta resistência significativa à corrosão. A prevenção eficaz contra a ferrugem normalmente requer um teor de cromo superior a 11-12%. Como uma liga comum à base de ferro, o H13 é propenso à ferrugem quando exposto ao ar e à umidade, particularmente em ambientes industriais agressivos, água de resfriamento ou plásticos corrosivos. As superfícies das ferramentas H13 podem desenvolver corrosão por pites nesses ambientes, criando pontos de concentração de tensões que levam à formação de trincas. Isso reduz significativamente a vida útil efetiva e degrada o desempenho geral. Portanto, os problemas de corrosão devem ser mitigados por meio de tratamentos de superfície ou controles ambientais ao utilizar o H13.
Fragilidade e tenacidade em temperaturas extremas
O H13 apresenta excelente dureza térmica e estabilidade em altas temperaturas, mas também tem requisitos específicos de temperatura durante o tratamento térmico e uso.
Quando o aço H13 é usado fora da faixa de temperatura recomendada (especialmente acima de 650 °C/1202 °F), a transformação de fase polimórfica α→γ resulta em uma redução significativa na resistência, aumentando assim o risco de falha.
O revenimento incorreto pode deixar austenita indesejada na microestrutura, que é menos dura que a martensita e menos estável. Essa austenita residual pode se transformar em martensita não temperada sob tensões aplicadas, causando fragilização localizada e tornando o aço altamente suscetível a trincas sob cargas de impacto. O aço H13 é propenso à "fragilidade por revenimento", particularmente quando revenido em torno de 500 °C (930 °F), onde pode ocorrer um estado perigoso de alta dureza, mas tenacidade extremamente baixa.
Temperaturas de austenitização excessivamente altas, embora dissolvam mais carbonetos, podem causar grãos de austenita grosseiros e exacerbar a fragilização dos contornos dos grãos, reduzindo significativamente a tenacidade.
Para resolver esses problemas, o controle preciso das temperaturas de austenitização e revenimento (que muitas vezes exigem vários ciclos de revenimento) é essencial para atingir o equilíbrio ideal entre dureza e tenacidade, garantindo ao mesmo tempo a estabilidade microestrutural.
Desafios no Processamento
Esta seção examina os desafios envolvidos na fabricação e no processamento do aço H13.
Usinabilidade: A tenacidade tem um custo
O aço para ferramentas H13 apresenta alta dureza e excelente tenacidade após o tratamento térmico, mas isso também complica os processos de usinagem subsequentes, levando ao desgaste acelerado da ferramenta, tempos de processamento mais longos e custos de fabricação mais elevados. Com uma classificação de usinabilidade de 70, em comparação com o aço carbono 1% de 100, o H13 exige uma execução cuidadosa. Oferecemos três recomendações:
- Sempre que possível, processe o aço H13 em seu estado recozido e amolecido.
- Utilize materiais avançados como carbonetos cimentados ou nitreto de boro cúbico policristalino (PCBN). Ferramentas de PCBN, por exemplo, podem alcançar excelentes acabamentos superficiais em H13 endurecido (~52 HRC).
- Para H13 endurecido (54-55 HRC), valores de rugosidade superficial de 0,14–0,48 µm foram obtidos com brocas de metal duro com revestimento, a velocidades de corte de 20–45 m/min e avanços de 0,1–0,2 mm/rotação. Profundidades de corte reduzidas (0,05–0,3 mm) e avanços (0,05–0,2 mm/rotação) são comuns na usinagem de materiais duros para lidar com pressões e tensões térmicas intensas.
Soldagem: Um Método de Reparo de Alto Risco
A soldagem do aço ferramenta H13 é propensa a trincas. Como uma liga de alta temperabilidade, o H13 forma martensita frágil e não revenida na zona afetada pelo calor (ZTA) após resfriamento rápido, aumentando substancialmente o risco de trincas induzidas por hidrogênio (HIC), também conhecidas como trincas a frio. Esse tipo de trinca pode se manifestar dias ou semanas após a soldagem, geralmente após as inspeções iniciais. Além disso, o teor de H13 na liga pode contribuir para a trinca a quente (trinca de solidificação) se filmes de baixo ponto de fusão, frequentemente enriquecidos com enxofre, fósforo, silício ou manganês, se formarem nos contornos de grão. Microestruturas não homogeneizadas e dureza excessiva nas zonas soldadas aumentam ainda mais esse risco.
Para minimizar esses riscos de soldagem, oferecemos as seguintes recomendações.
- O pré-aquecimento do aço H13 pode retardar a taxa de resfriamento da zona afetada pelo calor, prevenir a formação de martensita não revenida e promover a difusão do hidrogênio no aço. As temperaturas de pré-aquecimento recomendadas variam normalmente de 100 °C a 200 °C.
- O metal de adição selecionado deve corresponder perfeitamente à composição química e à resposta ao tratamento térmico do H13. Para o H13 endurecido, o metal de adição deve atingir a dureza desejada sem a necessidade de tratamento térmico subsequente.
- O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) garante a transformação completa da austenita retida e o alívio completo do estresse, evitando assim a fragilização.
Os perigos da moagem
A retificação do aço para ferramentas H13 é um processo de usinagem comum. A retificação inadequada gera calor intenso e localizado, e esse excesso de energia térmica pode causar diversas alterações prejudiciais à integridade da superfície da ferramenta.
- Reendurecimento localizado (camada branca): O resfriamento rápido imediatamente após o aquecimento causa o endurecimento da superfície, resultando em uma “camada branca” martensítica quebradiça e não revenida com uma dureza de 65-70 HRC.
- Amolecimento da superfície: calor de baixa intensidade, mas sustentado, pode causar têmpera localizada ou amolecimento da camada superficial.
- Trincas de Desbaste: A consequência mais grave é a formação de microtrincas na superfície da ferramenta. Essas trincas surgem da expansão térmica da superfície aquecida, restringida pelo material subsuperficial mais frio, seguida pela contração durante o resfriamento. Se as tensões térmicas resultantes excederem a resistência do material, formam-se trincas. Essas trincas microscópicas são frequentemente invisíveis a olho nu, mas propagam-se mais profundamente com passes abusivos. São concentradores críticos de tensões e locais comuns de início de falhas primárias da ferramenta e por fadiga. O uso de rebolos apropriados, velocidades ideais e fluxo de refrigerante suficiente e corretamente direcionado é fundamental para evitar tais danos que comprometem a integridade.
Desafios no tratamento térmico H13
O tratamento térmico do aço para ferramentas H13 é a etapa mais crítica e complexa do seu processo de fabricação, determinando diretamente as propriedades mecânicas e o desempenho finais da ferramenta. Qualquer erro neste processo levará inevitavelmente à redução da vida útil da ferramenta e à falha prematura. Para obter informações detalhadas sobre o tratamento térmico H13, consulte o Guia de Tratamento Térmico de Aço H13.
Descarbonetação
A descarbonetação é a perda de carbono da superfície do aço, ocorrendo tipicamente quando o H13 é aquecido em atmosferas de fornos não devidamente controladas. Essa depleção de carbono resulta em uma camada externa macia e de baixo desempenho, sem a dureza e a resistência ao desgaste pretendidas, tornando a ferramenta suscetível a desgaste prematuro e falhas em serviço. O H13 é particularmente vulnerável aos efeitos da degradação da superfície durante altas temperaturas de austenitização.
Para evitar a descarbonetação, o H13 deve ser recozido e/ou endurecido em atmosferas neutras controladas, fornos a vácuo ou fornos com sal neutro. Fornos a vácuo, por exemplo, minimizam os níveis de oxigênio, prevenindo tanto a carburação quanto a descarbonetação. Banhos de sal também são eficazes para minimizar a formação de incrustações e a descarbonetação superficial.
Distorção e rachaduras
O aquecimento e o resfriamento rápidos ou irregulares (têmpera) do aço H13 geram tensões térmicas internas significativas e tensões de transformação de fase. Se essas tensões excederem o limite de escoamento do aço, a peça pode deformar (empenar, dobrar, arquear ou torcer); se excederem sua resistência máxima, podem ocorrer trincas catastróficas. Esse risco é particularmente alto para peças com geometrias complexas ou grandes variações na espessura da seção, pois essas características promovem uma distribuição não uniforme da temperatura durante o ciclo térmico.
As estratégias de mitigação incluem:
- Pré-aquecimento: Aquecer a peça lenta e uniformemente, geralmente em etapas, ou pré-aquecer a uma temperatura intermediária baixa (por exemplo, 780-840 °C / 1435-1545 °F) antes da temperatura final de austenitização ajuda a minimizar gradientes de temperatura e tensões térmicas.
- Têmpera ao Ar Controlada: O H13 é um aço de têmpera profunda e secundária que permite sua têmpera em grandes seções por meio de resfriamento ao ar. A têmpera ao ar minimiza as tensões residuais após a têmpera, reduzindo o risco de trincas e distorções por têmpera. A têmpera deve ser precisa, frequentemente a uma temperatura específica (p. ex., 66–93 °C / 150–200 °F) antes do revenimento imediato.
- Alívio de tensões: tratamentos de alívio de tensões são altamente recomendados para ferramentas de precisão após usinagem grosseira para aliviar tensões residuais introduzidas durante a modelagem.
Austenita retida
Retido austenita Refere-se à porção de austenita que não se transforma totalmente em martensita durante a têmpera, permanecendo na microestrutura à temperatura ambiente. Esse fenômeno é mais comum em aços com maior teor de carbono e liga (como o H13), pois esses elementos reduzem as temperaturas inicial (Ms) e final (Mf) da martensita, potencialmente abaixo da temperatura ambiente. A austenita retida é indesejável, pois é inerentemente mais macia que a martensita e instável.
A presença de austenita retida pode levar a vários problemas:
- Instabilidade dimensional: pode se transformar espontaneamente em martensita não temperada durante o serviço ou processamento subsequente, causando expansão de volume indesejada e alterações dimensionais nas ferramentas, o que é essencial para aplicações de precisão.
- Fragilidade: A martensita fresca formada pela transformação da austenita retida não é revenida e, portanto, quebradiça, aumentando a suscetibilidade da ferramenta a rachaduras e falhas prematuras sob cargas de impacto.
Para tratar a austenita retida, múltiplos tratamentos de revenimento são frequentemente essenciais. Para o H13, temperaturas de revenimento na faixa de 540–620 °C (1000–1150 °F) são comumente utilizadas, geralmente exigindo dois ou três ciclos para garantir a transformação e estabilização completas da microestrutura. Em alguns casos, tratamentos abaixo de zero ou criogênicos (resfriamento de -75 a -196 °C / -103 a -320 °F) podem ser incorporados ao ciclo de tratamento térmico para reduzir ainda mais a quantidade de austenita retida. No entanto, o revenimento imediato após a têmpera ou o tratamento abaixo de zero é crucial para estabilizar a martensita recém-formada e prevenir a fragilização.
Modos comuns de falha em serviço
O aço para ferramentas H13 ainda pode apresentar múltiplos modos de falha sob condições operacionais extremas. Por que o aço para ferramentas H13 falha prematuramente?
Fadiga Térmica e Verificação de Calor
A fadiga térmica, comumente conhecida como "verificação de calor", é o mecanismo de falha mais prevalente para H13 em aplicações de trabalho a quente, especialmente em matrizes de fundição sob pressão, matrizes de forjamento e matrizes de extrusão a quente. Ela se manifesta como uma rede de trincas finas e superficiais na superfície de trabalho da ferramenta. Esse fenômeno é causado por flutuações repetidas de temperatura (ciclos rápidos de aquecimento e resfriamento) durante a operação da ferramenta, que induzem tensões térmicas cíclicas. Essas tensões, particularmente as tensões de tração que se desenvolvem no resfriamento, iniciam trincas microscópicas que crescem com o tempo. A presença de metal líquido (como o alumínio na fundição sob pressão) preenchendo essas trincas sob alta pressão agrava ainda mais o problema, dificultando a extração das peças ou prejudicando a qualidade da superfície. A baixa resistência à fadiga térmica é frequentemente citada como um fator importante que limita a vida útil dos aços para ferramentas de trabalho a quente.
Rachaduras brutas
Trincas grosseiras, diferentemente da fina rede de fissuras térmicas, referem-se a fraturas profundas e de grande porte que podem levar à falha catastrófica e à interrupção imediata do uso da ferramenta. Esse tipo de trinca é frequentemente resultado de uma interação complexa de altas tensões mecânicas, tensões térmicas severas e defeitos do material subjacente. Os principais fatores contribuintes incluem:
- Alto estresse mecânico: matrizes de forjamento, por exemplo, são submetidas a ciclos contínuos de estresse mecânico que podem causar fratura por fadiga, especialmente em áreas de concentração de estresse, como raios pequenos.
- Estresse térmico: Aquecimento e resfriamento irregulares ou rápidos podem criar tensões internas que levam a empenamentos ou rachaduras, especialmente em geometrias complexas. Um exemplo é uma matriz de extrusão a quente H13 que trincou devido a um projeto inadequado para têmpera líquida e revenimento retardado.
- Defeitos subjacentes do material: problemas como excesso de austenita retida, tamanho de grão grosso, segregação de carboneto (especialmente nos contornos de grão), fragilização por têmpera ou até mesmo marcas de estampagem profundas podem reduzir significativamente a tenacidade do aço e atuar como locais de iniciação de trincas.
Deformação e Desgaste Plástico
Ferramentas feitas de H13 podem sofrer deformação plástica, perdendo a forma ou as dimensões pretendidas, especialmente sob pressão e temperatura extremas. Isso normalmente ocorre se as cargas aplicadas excederem o limite de escoamento do material ou se o tratamento térmico resultar em dureza a quente insuficiente para resistir ao amolecimento em temperaturas operacionais elevadas.
O desgaste é um mecanismo de falha predominante, especialmente em forjamento (responsável por quase 70% de falhas de matriz em forjamento a quente) e extrusão, onde ocorrem movimento e contato contínuos do material.
- Desgaste abrasivo: causado por partículas duras (por exemplo, óxidos, incrustações ou inclusões) que são forçadas contra e deslizam ao longo da superfície da ferramenta, criando ranhuras e removendo material.
- Desgaste Adesivo: Envolve a ligação localizada entre superfícies em contato, levando à transferência ou perda de material, frequentemente resultando em "gripagem" ou acúmulo de material da peça na ferramenta. Ambos os tipos são agravados pelo atrito intenso e pelas altas temperaturas na interface ferramenta-peça.
Conclusão
O aço para ferramentas H13, um material altamente maduro, é amplamente utilizado no mercado há décadas. Embora sua aplicação apresente diversas dificuldades e desafios, estes permanecem dentro de limites administráveis. Se você tem interesse no aço H13, agradecemos suas consultas.
