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Seleção de aço ferramenta para estampagem a quente (endurecimento por prensagem)
A estampagem a quente, também conhecida como endurecimento por prensagem, é um processo de conformação não isotérmica amplamente utilizado na indústria automotiva. É empregado principalmente na fabricação de componentes estruturais em aço de ultra-alta resistência com mínimo afinamento e retorno elástico.
Nesse processo, tarugos de aço ligado com boro, tipicamente 22MnB5, são aquecidos a 900 °C–950 °C para austenitização. O tarugo quente é então transferido rapidamente para uma matriz resfriada internamente, onde ocorre a conformação e têmpera ocorrem simultaneamente dentro da ferramenta, transformando a peça de trabalho em martensita.
Como a conformação e a transformação de fase ocorrem na mesma matriz, a ferramenta não só deve suportar elevadas cargas mecânicas provenientes das pressões de conformação e fechamento, como também funcionar como um eficiente trocador de calor. Durante a produção, a matriz deve absorver e dissipar continuamente uma quantidade substancial de energia (até 100 kW) e sofrer gradientes de temperatura extremos (até 25 K/mm) entre as suas camadas internas e superficiais, o que gera tensões térmicas.
Além disso, para garantir a transformação martensítica completa dentro da matriz, as taxas de resfriamento não devem ser inferiores a 27 K/s. Os materiais das matrizes de estampagem a quente suportam intensos estresses térmicos e mecânicos cíclicos, tornando a seleção adequada de aços para ferramentas O primeiro passo crucial para uma estampagem a quente bem-sucedida.
Fatores de seleção
Ao selecionar aço ferramenta para estampagem a quente, as propriedades do material devem levar em consideração a capacidade de gerenciamento térmico e a confiabilidade em serviço.
- Condutividade térmica. A produtividade em uma linha de estampagem a quente depende em grande parte da eficiência de dissipação de calor da matriz. Uma maior condutividade térmica facilita a remoção rápida e uniforme do calor durante a etapa de têmpera, evitando a formação de pontos quentes localizados e garantindo que a peça atinja a taxa de resfriamento necessária.
- Resistência à Verificação de calor Fadiga Térmica. Durante a estampagem a quente, a superfície da matriz entra em contato repetidamente com peças brutas em alta temperatura e é submetida a resfriamento interno por água, causando expansão e contração periódicas da camada superficial. Esse ciclo térmico induz fadiga térmica na superfície da matriz, formando gradualmente "trincas térmicas" — fissuras superficiais com distribuição em forma de rede. Portanto, aumentar a resistência do aço ferramenta às trincas térmicas é fundamental para prolongar a vida útil da ferramenta.
- Resistência à Temperagem. Como as ferramentas são submetidas a altas temperaturas superficiais durante a conformação e têmpera, o aço ferramenta deve apresentar excelente resistência ao amolecimento, principalmente à revenida. Uma resistência suficiente a altas temperaturas ajuda a manter a estabilidade geométrica sob cargas de serviço e suprime eficazmente a formação de sulcos. deformação plástica.
- Resistência ao desgaste. Embora as cargas mecânicas nas matrizes durante a estampagem a quente sejam menores do que na extrusão a frio, a resistência ao desgaste continua sendo essencial para garantir a qualidade da superfície e as tolerâncias dimensionais, principalmente em condições de produção em massa a longo prazo.
Aços para ferramentas recomendados
Considerando os requisitos abrangentes de capacidade de gerenciamento térmico, resistência a altas temperaturas e resistência à fadiga térmica durante o processo de têmpera por prensagem, as seguintes classes de aço ferramenta são comumente selecionadas para matrizes de estampagem a quente.
Aço para ferramentas H13 | 1.2344 | SKD61
O AISI H13 é um dos aços-ferramenta mais utilizados em aplicações de trabalho a quente, amplamente empregado em matrizes de fundição, forjamento e estampagem a quente, servindo como material de referência neste campo. Este aço equilibra tenacidade Com resistência ao rachamento por calor. O H13 apresenta excelente desempenho. temperabilidade durante o tratamento térmico com distorção mínima. O H13 também apresenta boa resistência ao amolecimento em temperaturas elevadas, mantendo dureza abaixo de aproximadamente 425°C. Pode ser temperado em água para uso em matrizes de estampagem a quente. Sua dureza típica de trabalho varia de 42 a 53 HRC.
Aço ferramenta H11 | 1.2343 | SKD6 (Alternativa de alta tenacidade)
AISI H11 é um aço cromo 5%. aço para trabalho a quente Com composição semelhante à do H13, mas com menor teor de vanádio, o H11 oferece tenacidade e resistência à fratura superiores. É particularmente adequado para ferramentas de trabalho a quente com risco de fissuração grosseira (falha catastrófica). Assim como o H13, este tipo de aço é temperado ao ar e apresenta distribuição de propriedades relativamente uniforme em matrizes de grande seção transversal. O H11 exibe forte resistência ao amolecimento térmico e é uma escolha padrão para ferramentas de trabalho a quente, operando tipicamente na faixa de dureza de 38 a 54 HRC. Para aplicações altamente suscetíveis a fissuração, pode-se selecionar o “H11 com baixo teor de silício”, que oferece maior tenacidade.
DIN 1.2367(H10 Modificado)
O aço DIN 1.2367 (H10 Modificado) é um aço para trabalho a quente com baixo teor de cromo, otimizado especificamente para matrizes de têmpera por prensagem e estampagem a quente. O DIN 1.2367 (H10 Modificado) contém maior teor de molibdênio, oferecendo resistência ao revenido significativamente superior em comparação com os aços H13 ou H11. Sua alta condutividade térmica facilita a rápida dissipação de calor, tornando-o adequado para matrizes pequenas e de alta resistência, sujeitas a severos choques térmicos e que dependem de refrigeração a água. Para aplicações em que os aços padrão falham prematuramente devido à fadiga térmica ou à resistência insuficiente a altas temperaturas, o DIN 1.2367 (H10 Modificado) é uma escolha superior. têmpera A 600 °C, sua dureza atinge 52–54 HRC, e a norma DIN 1.2367 (H10 Modificado) apresenta desempenho superior em altas temperaturas. resistência ao escoamento em comparação com H13/H11.
Perguntas frequentes
Os principais fatores incluem condutividade térmica para dissipação de calor, resistência a fissuras térmicas, resistência a altas temperaturas para evitar o amolecimento e resistência ao desgaste para garantir a qualidade da superfície.
A alta condutividade térmica permite uma remoção de calor rápida e uniforme durante o resfriamento rápido. Isso evita pontos quentes localizados, garante que a peça atinja a taxa de resfriamento necessária e aumenta diretamente a eficiência da produção.
As opções mais comuns incluem o AISI H13, que oferece um equilíbrio entre resistência e durabilidade em caso de fissuração térmica, o AISI H11, que proporciona alta resistência, e o DIN 1.2367, que oferece resistência superior ao choque térmico e alta condutividade.
Selecione o aço AISI H11 quando a ferramenta apresentar risco de fissuras graves ou falha catastrófica. Ele contém menos vanádio que o H13, proporcionando maior tenacidade e resistência à fratura.
A norma DIN 1.2367 possui maior condutividade térmica e resistência superior ao revenido em comparação com a H13. É ideal para matrizes pequenas e de alta resistência, submetidas a choques térmicos severos e que exigem rápida dissipação de calor.
A fissuração térmica resulta da fadiga térmica causada pela expansão e contração cíclicas. A superfície da matriz alterna continuamente entre o contato com as peças brutas aquecidas e o resfriamento interno por água, formando eventualmente um padrão de fissuras semelhante a uma rede.
A dureza de trabalho varia de acordo com a classe: o AISI H13 normalmente opera entre 42 e 53 HRC, o AISI H11 entre 38 e 54 HRC, e o DIN 1.2367 atinge 52 a 54 HRC após o revenido.
As matrizes são submetidas a temperaturas superficiais elevadas durante a conformação e o resfriamento. Uma resistência suficiente a altas temperaturas impede o amolecimento e a deformação plástica, garantindo que a ferramenta mantenha sua estabilidade geométrica sob cargas pesadas.