H13 TOOL STEEL | 1.2344 | SKD61

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O aço para ferramentas H13 é um aço para ferramentas de trabalho a quente endurecível ao ar e um dos aços mais amplamente utilizados entre todos os aços para ferramentas de trabalho a quente. Semelhante a Aço para ferramentas D2 as a benchmark for cold work tool steels, H13 is the benchmark for hot work tool steels. Compared to H11 tool steel, this steel grade has higher thermal strength and hardness. It can be air-hardened, so it performs well in terms of têmpera deformation and residual stress, and has a lower likelihood of surface oxidation. Additionally, it can achieve secondary hardening, has excellent thermal stability, and can effectively resist corrosion from aluminum alloy molten metal.

Os fabricantes utilizam amplamente este tipo de aço para produzir matrizes e mandris de extrusão a quente, matrizes para forjamento por impacto e matrizes de forjamento. Também é comumente utilizado em insertos em máquinas de forjamento de precisão e matrizes de fundição sob pressão para alumínio, cobre e suas ligas.

The designation in the U.S. ASTM A681 system is H13, and the name in the American AISI system is AISI H13 steel. Similarly, other national standards use comparable designations, such as ISO 40CrMoV5, Japan/JIS SKD61, USA/UNS T20813, Germany/DIN X40CrMoV5-1, Germany/W-Nr. 1.2344, and Czech Republic (CSN) 19554, BS (BH13), SS (2242), ANFOR (Z40CDV5), and UNI (X35CrMoV05KU / X40CrMoV511KU).

1. Aplicações

• Ferramentas para trabalho a quente: É a escolha principal para a maioria das operações de trabalho a quente, especialmente quando as matrizes exigem resfriamento com água ou outro meio de descarga.
• Moldes de fundição sob pressão: O material H13 é particularmente adequado para fundição sob pressão de ligas de zinco, alumínio e magnésio, como hastes de pressão, pinos ejetores, pinos de núcleo, corrediças, bicos e sprues. Blocos de material H13 purificados por refusão por eletroescória (ESR) são adequados para moldes plásticos que exigem um alto acabamento superficial, como moldes de lentes automotivas, devido à sua maior pureza e uniformidade.
• Matrizes e punções para forjamento a quente
• Matrizes de extrusão a quente: Extrusão a quente de metais leves, como alumínio e magnésio, bem como para mandris, punções e matrizes.
• Moldes de injeção de plástico:Esta é a aplicação mais comum, especialmente para usinagem de cavidades.
• Lâminas de corte: Aplicações de cisalhamento a quente.
• Ferramentas de soldagem por fricção e agitação (FSW)¹: FSW tools, particularly for welding aluminum plates, are often coated with TiN for enhanced performance.
• Componentes Estruturais:O aço H13 tem alta resistência e pode manter sua dureza em altas temperaturas, por isso é usado em componentes estruturais sujeitos a alto estresse, como trens de pouso de aeronaves, ganchos de parada e cascos de foguetes na indústria aeroespacial.

 2. Composição do Aço H13²

H13 tool steel equivalent grades’ composition

3. Propriedades do aço ferramenta H13

H13 mold steel is a hot-work tool steel widely used globally. It is characterized by high strength, high toughness, high hardenability, and resistance to thermal cracking. In particular, it can maintain its strength and hardness at high temperatures. Additionally, it has excellent comprehensive mechanical properties and high tempering stability.

3.1 Propriedades Mecânicas

As propriedades específicas dependem fortemente da temperatura de revenimento. Aqui estão as propriedades mecânicas longitudinais típicas quando air-cooled from 1025 °C (1875 °F) and tempered:

Propriedades mecânicas principais (valores típicos à temperatura ambiente, dupla têmpera 2h + 2h)

3.2 Propriedades físicas

3.3 Outras propriedades importantes:

• Resistência ao desgaste: Excelente resistência ao desgaste. Para melhorar ainda mais a resistência ao desgaste, pode ser nitretado, o que pode aumentar sua dureza superficial para mais de 1000 HV (>70 HRC).
• Resistência e resistência ao impacto: Excelente resistência ao impacto e boa ductilidade.
• Resistência à verificação de calor: Excelente resistência à fissuração térmica, característica influenciada pela sua tenacidade e dureza ao impacto sem entalhes.
• Resistência à fadiga: Boa resistência à fadiga e, neste aspecto, este aço tem uma vantagem sobre Aço de liga 4340.
• Estabilidade dimensional: Quando esse aço passa por têmpera ao ar, seu volume normalmente se expande em aproximadamente 0,001 pol./pol. (0,001 mm/mm).
• Usinabilidade: Se a classificação de usinabilidade do aço carbono com teor de carbono de 1% for definida como 100, então o H13 terá uma classificação de usinabilidade de 70 quando recozido corretamente.

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4. Tratamento térmico

O Tratamento térmico de aço H13 envolve várias etapas críticas para atingir as propriedades desejadas:

4.1 Forjamento e Resfriamento Pós-Forjamento

É fácil de forjar e normalmente é forjado em temperaturas entre 1120 e 1150°C (2050 a 2100°F). Antes do forjamento, recomendamos pré-aquecer o aço para 790 a 815°C (1450 a 1500°F), aquecendo-o uniformemente até a temperatura de forjamento necessária.

Durante o forjamento, a temperatura do material não deve cair abaixo 925°C (1700°F). Se estiver prestes a cair abaixo dessa temperatura, deve ser reaquecido até a temperatura de forjamento necessária.

Este material é um aço endurecível ao ar que deve ser resfriado lentamente para evitar fissuras por tensão. Após o forjamento, o material deve ser colocado em um forno a 790°C (1450°F) e mantido até que a temperatura fique uniforme; então resfriado lentamente.

4.2 Recozimento (recozimento esferoidizado)

Seguindo a etapa anterior, o material H13 deve passar por recozimento de esferoidização, que visa eliminar tensões, aumentar a tenacidade e a ductilidade e formar a microestrutura necessária.

Os detalhes específicos do processo de recozimento são os seguintes: aquecer o aço a 871 °C (1600 °F), manter por 1 hora por polegada (25,4 mm) de espessura e, em seguida, resfriar a uma taxa de 14 °C (25 °F) por hora até 482 °C (900 °F), seguido de resfriamento ao ar até a temperatura ambiente.

4.3 Normalização (geralmente não recomendado)

Because of the risk of cracking, we generally do not recommend normalizing treatment for H13, especially when a controlled atmosphere furnace does not prevent surface decarburization. However, this normalizing treatment can still improve the uniformity of the material. This step must be performed immediately after spheroidizing annealing.
As etapas específicas são as seguintes: pré-aquecer a aproximadamente 790 °C (1450 °F), aquecer lenta e uniformemente a 1040 a 1065 °C (1900 a 1950 °F), manter por 1 hora para cada 25 mm (1 polegada) de espessura e, em seguida, resfriar ao ar.

4.4 Hardening (Austenitizing and Quenching)

A temperatura de endurecimento é em torno de 1030 °C (1885 °F). Outras fontes sugerem uma faixa de 1010-1040 °C (1850-1900 °F), ou especificamente 1025 °C (1875 °F).

O H13 é um aço endurecível ao ar, e recomendamos a realização de um tratamento de pré-aquecimento. O objetivo é estabilizar a estrutura cristalina, reduzir a dureza, aumentar a ductilidade, melhorar a usinabilidade, promover uma estrutura de grãos uniforme e minimizar distorções/trincas. A temperatura de pré-aquecimento é 815 °C (1500 °F)Para um cubo de 1” (25 mm), ele deve ser pré-aquecido a 650 °C (1200 °F) e mantido por 10 a 15 minutos antes de programar o forno para a etapa de imersão. Para peças delicadas, pode ser necessário um pré-aquecimento adicional.

Após o pré-aquecimento, aumente a temperatura do forno até a temperatura de austenitização de 1010 °C (1850 °F). The soaking process then begins, with the soaking time calculated from the moment the material’s temperature is the same as the furnace temperature. Specific details are as follows: For parts thicker than 1“ (25mm), the soak time is typically half an hour per inch of the smallest cross-section. For smaller parts, specific soak times are provided: 1/8” (3.175mm) for 10-15 minutes, 1/4” (6.350mm) for 15 minutes, 1/2“ (12.70mm) for 20 minutes, 3/4” (19.05mm) for 25-30 minutes, and 1” (25mm) for 30 minutes.

A têmpera ao ar pode minimizar a tensão residual e reduzir o choque térmico. Embora a têmpera ao ar seja o método mais comum para o H13, a têmpera em óleo também é utilizada na prática, mas aumenta as tensões internas. A dureza após a têmpera é de 52-54 HRC. Durante o ciclo de têmpera do material, a próxima etapa de revenimento deve ser realizada imediatamente a uma temperatura não inferior a 66 °C/150 °F para evitar rachaduras.

4.5 Têmpera

O objetivo é reduzir a fragilidade, transformar a martensita em uma microestrutura mais estável, melhorar a tenacidade, aliviar tensões e, ao mesmo tempo, manter a dureza.

We recommend tempering H13 twice or even three times to achieve optimal toughness and extend tool life. The first tempering temperature is 565°C (1050°F), a segunda temperatura de têmpera é 550°C (1025°F), com cada ciclo com duração de 2 horas por polegada (25 mm) de espessura.

After tempering, the hardness varies with the tempering temperature. For example, as-quenched H13 has a hardness of 52-54 HRC. Tempering at 204°C (400°F) results in 51-53 HRC, while tempering at 538°C (1000°F) yields 47-48 HRC, and at 621°C (1150°F), it can be 36-38 HRC. Typical tempering temperatures range from 540-620°C (1000-1150°F), producing a stable microstructure that makes the material most suitable for high-temperature applications.

It is essential to evite temperar H13 em torno de 500°C (930°F), as this temperature yields the lowest toughness.

5. Soldagem

O aço H13 é facilmente soldável, especialmente para aplicações de reparo em moldes, ferramentas e matrizes. A soldagem a arco com gás tungstênio (GTAW ou TIG) é o processo de soldagem mais adequado para moldes, ferramentas e matrizes H13, podendo também ser realizada utilizando um processo com gás inerte ou eletrodos revestidos. Durante a soldagem, deve-se utilizar a tensão e a corrente de arco mínimas recomendadas, e o eletrodo deve ser movido lentamente em linha reta para minimizar a entrada de calor. Limpe a escória frequentemente e martele as soldas enquanto ainda estiverem quentes (acima de 370 °C ou 700 °F); nunca martele uma solda fria.

1. Preheating. Preheating is essential before welding H13 steel, as cold welding can easily cause cracking. The preheating temperature should be between 110°C (230°F) and 375°C (707°F).
2. Filler Wire. H13 filler wire is the preferred choice. If H13 filler wire is not available on site, a general-purpose medium-hardness tool steel filler wire designed specifically for thermal and cold working tools can be used.
3. Shielding Gas. Argon is the standard welding gas for TIG welding H13, and it protects the weld seam from contamination. Hydrogen can be used as a backing shielding gas for the underside of the weld when an explosion risk is not present.
4. Post-Welding Treatment for H13 Tool Steel. After welding, H13 welded parts (especially thick-walled welded parts) should be cooled slowly, either in a furnace at the preheating temperature or using an insulating medium (such as furnace slag, lime, mica, or diatomaceous earth). After slow cooling, the weld should undergo complete spheroidizing annealing.

6. Vantagens e desvantagens do aço H13

6.1 Vantagens

• Excelente tenacidade e resistência ao impacto
• Alta resistência ao desgaste. H13’s relatively high vanadium content makes it very resistant to abrasion. This is because vanadium promotes the formation of very hard, stable carbides (like V8C7, MC type), which significantly increase wear resistance. Nitriding treatment can further improve the wear resistance of H13.
• Excelente dureza a quente, resistência ao revenimento e estabilidade térmica
• Alta temperabilidade e estabilidade dimensional
• Boa resistência à fadiga térmica
• Soldabilidade e Usinabilidade. H13 é facilmente soldável e, após tratamento de recozimento adequado, apresenta boa usinabilidade

6.2 Desvantagens

• Alto custoO aço para ferramentas H13 é geralmente limitado pelo seu alto custo. O alto teor de elementos de liga contribui para esse custo. É claro que isso é apenas uma desvantagem relativa. Nossos clientes na China têm uma demanda muito alta por aço H13, superior a 2.000 toneladas por mês, principalmente para perfis de alumínio.
• Dificuldades de fabricação e processamento. The heat treatment process for H13 during production may be relatively complex, which is mainly a challenge for manufacturers. Additionally, its machinability is more difficult compared to low-alloy materials. As mentioned earlier in the article, the good machinability of H13 is one of its advantages, so both advantages and disadvantages are relative.
• Problemas de tenacidade e fragilidade. É bastante sensível à fragilização por têmpera, onde a precipitação de carbonetos ao longo dos limites de grãos da austenita anterior pode reduzir significativamente a tenacidade ao criar caminhos para a propagação de trincas, especialmente para materiais de seção grande.
• Suscetibilidade a rachaduras e distorções. Processos de têmpera inadequados, tempo de revenimento insuficiente ou baixas temperaturas de revenimento podem aumentar o risco de rachaduras e deformações.
• Desempenho limitado em altas temperaturas. Embora o H13 seja um aço para trabalho a quente, sua resistência diminui em temperaturas acima de 650°C.

7. Compare com outros aços

7.1 Comparado ao aço ferramenta D2

O aço H13 é utilizado em condições de alta temperatura, onde apresenta excelente resistência ao amolecimento, fadiga térmica e impacto. Comparado ao aço trabalhado a frio, no entanto, apresenta menor resistência ao desgaste. O aço D2, por outro lado, apresenta desempenho excepcional em aplicações de trabalho a frio, oferecendo alta resistência ao desgaste e excelente estabilidade dimensional. Comparado ao H13, no entanto, o D2 apresenta menor tenacidade e desempenho inferior em condições de alta temperatura.

Aqui está uma comparação lado a lado destacando suas principais diferenças e semelhanças:

7.2 Compared to M2 tool steel

Aço para ferramentas M2 is primarily used for high-speed cutting, boasting excellent wear resistance and thermal hardness.

8. Fornecimento de formas e dimensões

O aço para ferramentas H13 que fornecemos está disponível em três formatos: barra plana, bloco e barra redonda. As dimensões da barra plana variam de: largura 20–600 mm × espessura 20–400 mm × comprimento 1.000–5.500 mm. As dimensões da barra redonda variam de 20–400 mm de diâmetro × 1.000–5.500 mm de comprimento. As dimensões do bloco são obtidas cortando a barra plana.

Para tamanhos menores, como barras redondas com diâmetro inferior a 70 mm, utilizamos o processo de laminação a quente. Para tamanhos superiores a 70 mm, oferecemos produtos forjados.

Também oferecemos o processo ESR (Refusão por Eletroescória), que é personalizado para atender às necessidades do cliente. A vantagem é uma melhor microestrutura interna, mas tem um custo mais elevado. Entre em contato conosco para obter informações específicas.

Teste UT: setembro de 1921-84 D/d, E/e. 

Tratamento de superfície: acabamentos de superfície originais pretos, descascados, usinados/torneados, polidos, retificados ou fresados.

Status do Estoque: Não mantemos estoque de aço para ferramentas H13. Organizamos a produção com base nos pedidos dos clientes.

Prazo de entrega: Materiais para forno elétrico a arco (EAF) levam de 30 a 45 dias. Materiais para ESR levam aproximadamente 60 dias. 

Muitos dos nossos clientes optam por processos não ESR ao considerar a relação custo-benefício. Discuta suas necessidades específicas diretamente conosco.

1. Totten, G. E., & MacKenzie, D. S. (Eds.). (2003). Manual de Alumínio: Volume 2: Produção de Ligas e Fabricação de Materiais (p. 581). ↩︎
2. Bringas, J. E. (Ed.). (2002). Manual de Padrões Comparativos de Aço do Mundo (2nd ed., p. 434). ASTM International. ↩︎

Perguntas frequentes