Seleção de aço ferramenta para matrizes e punções de trabalho a frio
Matrizes e punções para trabalho a frio são utilizadas em operações como corte, cisalhamento, dobra, estampagem e extrusão, nas quais a deformação ocorre abaixo da temperatura de recristalização do material. Embora o processo seja realizado a temperaturas relativamente baixas, o aquecimento localizado na superfície da ferramenta pode atingir cerca de 200 °C devido à deformação plástica e ao atrito.
Nessas aplicações, os efeitos térmicos são secundários. A falha da ferramenta é causada principalmente por cargas mecânicas, incluindo tensões compressivas muito elevadas — até 2413 MPa (350 ksi) na extrusão direta — combinadas com impacto repetido e contato deslizante. Como resultado, os modos de falha predominantes são desgaste abrasivo, desgaste adesivo (gripagem), lascamento das bordas e trincas por fadiga. A seleção do material deve, portanto, ser baseada no principal mecanismo de falha, e não em requisitos gerais de dureza.
Fatores de seleção
A seleção do aço ferramenta para aplicações de trabalho a frio é definida pela relação entre resistência ao desgaste e tenacidade.
Uma maior dureza melhora a resistência à abrasão e à deformação plástica, mas reduz a tenacidade, aumentando o risco de lascamento ou fratura frágil sob impacto ou concentração de tensão. O equilíbrio correto depende de como a ferramenta falha em serviço:
- Aplicações dominadas por contato deslizante e longos períodos de produção exigem maior resistência ao desgaste.
- Aplicações que envolvem impacto, interrupção ou concentração de tensão exigem maior resistência.
Para ferramentas com geometrias complexas ou tolerâncias dimensionais rigorosas, a resposta ao tratamento térmico torna-se uma restrição prática. Os aços de têmpera ao ar são preferidos nesses casos porque reduzem o risco de distorção e fissuração em comparação com a têmpera em meio líquido.
A dureza não deve ser maximizada sem considerar o modo de falha. Ela deve ser selecionada para controlar o desgaste ou a fratura, dependendo de qual deles limita a vida útil da ferramenta.
Aços para ferramentas recomendados
Aço ferramenta AISI A2 | 1.2363 | SKD12
O aço A2 é adequado para aplicações onde nem o desgaste severo nem o impacto forte são predominantes. É comumente utilizado em operações de conformação e estampagem de médio volume, onde se exige um equilíbrio entre resistência ao desgaste e tenacidade.
Sua característica de endurecimento ao ar minimiza a distorção durante o tratamento térmico, tornando-o adequado para ferramentas com requisitos dimensionais mais rigorosos. Com dureza de 58–62 HRC, o aço A2 oferece resistência moderada ao desgaste com tenacidade significativamente superior à dos aços de alto carbono e alto cromo.
A opção A2 costuma ser escolhida quando a opção D2 apresenta fragilidade excessiva, mas ainda é necessária uma resistência ao desgaste superior à da opção O1.
Aço ferramenta AISI D2 |1.2379 | SKD11
O aço D2 é selecionado quando o desgaste abrasivo é o principal fator limitante. Seu alto teor de carbono e cromo produz um grande volume de carbonetos duros, conferindo forte resistência ao desgaste e à deformação plástica.
Apresenta bom desempenho em estampagem de grandes volumes, embutimento profundo e outras operações de alto atrito. No entanto, sua baixa tenacidade o torna inadequado para aplicações que envolvem cargas de impacto ou concentrações acentuadas de tensão. O lascamento das bordas é uma falha comum se aplicado fora de sua faixa de aplicação recomendada.
O uso de brocas D2 deve ser evitado em aplicações de punção ou em condições de corte interrompido, onde o risco de fratura é alto.
Aço ferramenta AISI O1 | 1.2510 | SKS3
O aço O1 é utilizado em aplicações de produção em pequena escala ou menos exigentes, onde o custo e a usinabilidade são priorizados em relação à vida útil da ferramenta e à estabilidade dimensional.
Proporciona resistência ao desgaste e tenacidade adequadas para geometrias simples e cargas moderadas, tipicamente entre 58 e 60 HRC. No entanto, a têmpera em óleo aumenta o risco de distorção e fissuração em comparação com os aços de têmpera ao ar, limitando seu uso em ferramentas de precisão.
O O1 geralmente não é adequado para longas séries de produção ou aplicações onde a precisão dimensional após o tratamento térmico é crítica.
S7 (Aço ferramenta resistente a choques)
O aço S7 é selecionado quando a fratura ou quebra é o principal risco de falha. Seu menor teor de carbono permite que ele mantenha alta tenacidade e resistência a trincas sob impacto repetido.
É comumente utilizado em punções de alta resistência, lâminas de corte e ferramentas sujeitas a cargas de choque cíclicas. A dureza típica é de 54–58 HRC, intencionalmente menor para melhorar a resistência ao impacto.
O aço S7 deve ser utilizado em aplicações onde outros aços falham por lascamento ou fratura catastrófica. Não é adequado para aplicações de alto desgaste, a menos que o desgaste seja secundário a impactos.
M2 (Aço rápido com molibdênio)
O M2 é utilizado em condições severas de trabalho a frio, onde são necessárias tanto resistência à compressão quanto resistência ao desgaste, como em punções de extrusão a frio.
Seu alto teor de liga proporciona forte resistência à deformação e abrasão em altos níveis de dureza (60–65 HRC). Para aplicações de trabalho a frio, o tratamento térmico é frequentemente ajustado para atingir uma dureza ligeiramente menor, a fim de melhorar a tenacidade e reduzir o risco de fratura.
O aço M2 é normalmente aplicado em situações onde a falha da ferramenta acarreta um custo elevado e os aços padrão para trabalho a frio não oferecem resistência ou durabilidade suficientes.
Tabela Resumo
| Aço ferramenta de alta qualidade | Dureza típica | Vantagem primária | Aplicação ideal |
| A2 | 58–62 HRC | Resistência ao desgaste e tenacidade equilibradas | Conformação e corte em geral |
| D2 | 58–62 HRC | Alta resistência ao desgaste e à compressão. | Produção em larga escala e estampagem profunda |
| O1 | 58–60 HRC | Baixo custo e boa usinabilidade | Matrizes para pequenos lotes e ferramentas simples |
| S7 | 54–58 HRC | Alta resistência a impactos | Punções e lâminas de corte reforçadas |
| M2 | 60–65 HRC | Alta resistência e resistência ao desgaste | Extrusão a frio e ferramentas de alta tensão |