Compreendendo a dureza do aço P20

Aço P20 é um AISI Aço para moldes de liga média, do tipo (American Iron and Steel Institute). É comumente fornecido pré-endurecido, com dureza variando de aproximadamente 28 a 40 HRC, ou cerca de 300 HB, e também é conhecido pela norma DIN 1.2311. Seus principais usos são moldes de plástico, matrizes de fundição sob pressão de zinco e blocos de fixação. Este artigo se concentra na dureza do aço P20.

1. Por que a dureza é crítica para o aço P20

Na aplicação do aço P20 em moldes e matrizes de estampagem, a dureza é uma propriedade muito importante. Ela se reflete principalmente nos seguintes aspectos:

• Resistência à Deformação e ao Desgaste: Uma dureza adequada permite que o aço suporte as altas cargas e pressões encontradas durante a moldagem, prevenindo a deformação plástica. Para o processamento de plásticos abrasivos, uma dureza suficiente proporciona a resistência ao desgaste necessária para prolongar a vida útil da ferramenta.
• Usinabilidade: O P20 é normalmente fornecido em um estado pré-endurecido que oferece um equilíbrio entre dureza para aplicação e facilidade de usinagem, permitindo que cavidades de molde complexas sejam criadas sem tratamento térmico adicional de alta temperatura.
• Polibilidade: Alta dureza superficial, que pode ser aumentada pela cementação, é essencial para obter acabamentos suaves e essenciais necessários para moldes plásticos transparentes.

2. Fatores que influenciam a dureza do aço P20

2.1 Composição Química

A composição do aço P20 é

Carbono (C)	Manganês (Mn)	Silício (Si)	Cromo (Cr)	Molibdênio (Mo)	Fósforo (P)	Enxofre (S)
0,28 – 0,40	0,60 – 1,00	0,20 – 0,80	1,40 – 2,00	0,30 – 0,55	≤ 0.030	≤ 0.030

O P20 é um aço para ferramentas de baixa liga, cuja composição química é fundamental para suas propriedades. Principais elementos de liga e sua contribuição para a dureza e as propriedades:

• Carbono (C): 0,28-0,40%. Influencia a dureza e a resistência.
• Cromo (Cr): 1,40-2,00%. Aumenta a resistência ao desgaste e à corrosão. A presença de cromo aumenta a tenacidade e a dureza.
• Molibdênio (Mo): 0,30-0,55%. Refina a estrutura dos grãos, melhorando a tenacidade e a soldabilidade.
• Manganês (Mn): 0,60-1,00%. Auxilia na desoxidação, aumenta a resistência à tração sem causar fragilidade.
• Silício (Si): 0,20-0,80%. Auxilia na desoxidação, aumenta a resistência à tração sem causar fragilidade.
• Fósforo (P) e Enxofre (S): ≤ 0,03% (máx.). Pequenas quantidades contribuem para o desempenho geral. Após a adição de uma quantidade adequada do elemento S, a melhora P20S o aço tem melhor desempenho de processamento.
• Níquel (Ni): Após a adição da liga de Ni, o aço melhorado P20Ni (1.2738) pode melhorar significativamente a tenacidade e a ductilidade, o que é propício ao processamento.

2.2 Processos de Tratamento Térmico

O P20 pode ser temperado em óleo e depois revenido para atingir níveis de dureza específicos para diversas aplicações.

Dureza do aço P20 após têmpera e têmpera¹

Temperatura de têmpera	Dureza Rockwell C
Como extinto	51
400°F / 205°C	49
600°F / 315°C	47
800°F / 425°C	44
1000°F / 540°C	39
1100°F / 595°C	33
1200°F / 650°C	26
1250°F / 675°C	21

• Temperatura de pré-aquecimento: 1200°F / 650°C （Se usado em peças de massa maior.）
• Temperatura de endurecimento: 1525°F / 830°C
• Método de têmpera: têmpera em óleo e cementação
• QUÍMICA: Carbono 0,30%, Manganês 0,75%, Silício 0,50%, Cromo 1,65%, Molibdênio 0,40%

2.3 Condição cementada e endurecida

O aço P20 pode ser cementado e então Aço P20 temperado para aumentar a dureza superficial e a resistência ao desgaste. Após a cementação e têmpera, a dureza superficial do aço P20 pode atingir 65 HRC. A dureza do núcleo após a cementação é tipicamente de cerca de 45 HRC.

A temperatura de cementação afeta a dureza superficial resultante. Por exemplo, amostras cementadas a 845 °C (1550 °F) atingiram uma dureza superficial de 65,6 HRC, enquanto aquelas cementadas a 980 °C (1800 °F) resultaram em 58,6 HRC.
O revenimento de um aço P20 cementado causará uma diminuição na dureza de sua superfície, e sua resistência ao amolecimento durante o revenimento é considerada relativamente baixa, semelhante ao aço carbono comum.

2.4 Nitretação e Tufftretação

A nitretação e a tufftritação (um tipo de nitrocarbonetação ferrítica) aumentam significativamente a dureza da superfície do aço P20, principalmente por meio da formação de nitretos duros e uma zona de difusão.

A nitretação a 525°C em gás amônia pode resultar em uma dureza superficial de aproximadamente 650HV.

A trituração a 570°C pode proporcionar uma dureza superficial de aproximadamente 700HV com uma camada superficial dura de aproximadamente 0,1 mm após duas horas de tratamento.

A nitretação também aumenta a resistência à corrosão.

3. Propriedades Mecânicas (Inter-relacionadas com a Dureza)

• Resistência à tração (máxima). O aço P20, após têmpera em óleo a 845 °C (1550 °F) e revenimento por 2 horas a 205 °C (400 °F), tem uma resistência à tração de 1310 MPa (190 ksi).

• Limite de escoamento. Sob as mesmas condições de tratamento térmico acima, ele tem um limite de escoamento de 1172 MPa (170 ksi).
•   Alongamento na ruptura. Após a têmpera e revenimento em óleo, o alongamento em 50 mm (2 pol.) é 13%.
•  Resistência ao impacto (Charpy V-Notch). Sob as mesmas condições de tratamento térmico acima, ele tem uma energia de impacto Charpy V-notch de 43 J (32 pés·lbf).
• Resistência à compressão. Aproximadamente igual à resistência ao escoamento à tração.
• Módulo de elasticidade. 190-210 GPa, ou 30 x 10^6 psi (207 GPa).
• Densidade. 7855,1 kg/m³ (7,855 g/cm³). 
• Condutividade térmica. 24 Btu/pé/h/°F (41,5 W/m³/°K), ou 34,0 W/(m³K). Importante para dissipar calor durante a usinagem e na moldagem.
• Coeficiente de Poisson. 0.27-0.30
• Coeficiente de expansão térmica. 12,8 x 10^-6/°C (20-425°C).

4. Usinabilidade e acabamento superficial do aço P20 (relação com a dureza)

O aço P20 apresenta excelente usinabilidade em torno de 60-65% do aço carbono 1% ou 65% em comparação com um aço carbono 1% de referência (classificação 100). O aço P20 pré-endurecido pode ser usinado diretamente sem tratamento térmico adicional, mas o calor gerado durante a usinagem pode causar encruamento e imprecisão dimensional. As soluções incluem:

• Use baixas velocidades de corte e altas taxas de avanço para reduzir o calor.
• Utilize ferramentas revestidas com materiais como nitreto de titânio (TiN).
• Aplique refrigerantes de forma eficaz para dissipar o calor e lubrificar.

1. Bryson, WE (2007). Tratamento térmico, seleção e aplicação de aços para ferramentas (pág. 195). Publicações Hanser. ↩︎