Catálogo de produtos de aço para ferramentas
Our Tool Steel Catalog
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O que é aço para ferramentas
It is a special steel alloy specifically used for manufacturing tools, dies, and molds. These tools, dies, and molds are used to cut, form, process, or stamp other materials, including ferrous metals, non-ferrous metals, plastics, wood, paper, rock, or concrete. Tool steel has good strength, toughness, hardness, wear resistance, and quenching stability. Depending on its application, tool steel can be divided into cutting-edge steel, mold steel, and measuring steel. Based on its chemical composition, it can be divided into carbon steel, alloy steel, and high-speed steel.
The main properties of tool steel include hardness, wear resistance, strength, toughness, machinability, quenching temperature range, hardenability, decarburization sensitivity, heat treatment deformation, grinding performance, etc. Among these, high hardness and wear resistance are the most important properties. Through quenching and heat treatment, the hardness and wear resistance can be significantly improved.
Composição
It is a complex iron-based alloy containing varying proportions of alloying elements, including carbon, chromium, vanadium, molybdenum, tungsten, nickel, manganese, and silicon.
As principais funções desses elementos de liga incluem:
- Carbono (C): O principal elemento de liga, normalmente variando de 0,6% a 2,40% em aços de alto carbono e aços para ferramentas, é crucial para atingir alta dureza por meio da formação de martensita e influenciar a precipitação de carboneto.
- Cromo (Cr): Melhora a temperabilidade, a resistência ao desgaste, à corrosão e à oxidação, a polibilidade e as propriedades em altas temperaturas. É um excelente formador de carbonetos e aumenta as temperaturas de têmpera. Encontrado em vários tipos, incluindo aços com alto teor de cromo para trabalho a frio e aços com alto teor de cromo para trabalho a quente.
- Vanádio (V): Um formador de carboneto forte, forma especialmente carbonetos do tipo MC ricos em vanádio, que aumentam significativamente a resistência ao desgaste.
- Molibdênio (Mo): Adiciona resistência ao calor e temperabilidade. É um formador de carboneto e, juntamente com o tungstênio, previne o amolecimento durante o revenimento.
- Tungstênio (W): Semelhante ao molibdênio, é um formador de carboneto que contribui significativamente para a dureza a quente e a resistência ao desgaste. Carbonetos do tipo M6C ricos em tungstênio são comuns.
- Cobalto (Co): Confere resistência ao calor (dureza a quente) e é frequentemente adicionado a aços rápidos para melhorar a dureza em altas temperaturas.
- Manganês (Mn): Um desoxidante que aumenta a temperabilidade, mesmo em pequenas quantidades, para aços carbono para ferramentas.
- Silício (Si): Melhora a tenacidade em aços para ferramentas de baixa liga, eleva os pontos críticos em aços para ferramentas de trabalho a quente, reduz a formação de incrustações e aumenta a temperabilidade e a resistência ao revenimento. Também pode promover a formação de grafite para melhor usinabilidade.
Propriedades principais
A escolha do aço para ferramentas depende da aplicação específica, e nenhum aço para ferramentas pode atender a todos os requisitos. As principais propriedades do aço para moldes incluem:
- Alta dureza e resistência ao desgasteDureza é a capacidade de resistir à penetração ou à abrasão. Geralmente, é uma função da dureza da ferramenta e do seu teor específico de liga ou tipo de carboneto. Uma dureza mais alta normalmente melhora a resistência mecânica e a resistência ao desgaste, mas pode reduzir a tenacidade. A resistência ao desgaste é atribuída principalmente à dureza da matriz (principalmente martensita) e à presença de carbonetos duros e não dissolvidos.
- Robustez. É uma combinação de ductilidade e resistência elástica. É a capacidade de resistir à quebra ou lascamento sob cargas de impacto ou sobrecargas. Geralmente, há uma relação inversa entre resistência ao desgaste e tenacidade; melhorar uma frequentemente reduz a outra. Reduzir o teor de carbono e ligas pode melhorar a tenacidade, mas reduzirá a resistência ao desgaste.
- Dureza Quente/Dureza Vermelha. This is the ability to maintain high hardness at high temperatures. Tool steel operating at high cutting speeds generates a large amount of heat, so the red heat resistance is very important. This is mainly because alloying elements such as tungsten, molybdenum, and cobalt in the composition form stable carbides that resist softening at high temperatures.
- Estabilidade dimensional. It can maintain minimal dimensional changes during heat treatment. Some air-hardened tool steels exhibit even less deformation during heat treatment.
- Usinabilidade e retificaçãoUsinabilidade é a facilidade ou dificuldade com que um material pode ser usinado até atingir o tamanho, formato e acabamento superficial desejados. Ela é influenciada pela microestrutura do aço, sendo as estruturas esferoidizadas (onde os carbonetos são globulares) geralmente preferidas para aços-ferramenta devido ao seu alto teor de carbono. A retificação também é essencial, especialmente após tratamento térmico, quando o aço-ferramenta é extremamente duro. Aços-ferramenta com menor teor de liga tendem a ser mais fáceis de usinar e retificar.
Classificação
Diferentes países e fabricantes possuem padrões e classificações diferentes. Neste artigo, usaremos o AISI americano como referência.
Os aços para ferramentas são classificados por AISI (Instituto Americano de Ferro e Aço), com base principalmente em seu uso pretendido, composição, propriedades mecânicas especiais ou método de tratamento térmico. Os principais grupos são:
- Aços W (endurecíveis por água): Aços de alto carbono (0,60-1,40% C) com baixo teor de liga. Têm têmpera superficial e devem ser temperados em água para atingir a dureza necessária. As aplicações incluem formões, limas, ferramentas para marcenaria, brocas, alargadores e machos.
- Aços S (Resistentes ao Choque): Aços de médio carbono (0,45-0,65% C) e baixa liga, projetados para alta tenacidade e resistência a choques e impactos. Eles contêm elementos como silício, cromo, molibdênio e tungstênio. Utilizados em formões, punções, lâminas de tesoura e ferramentas pneumáticas. Nossa empresa oferece S1 e Aço ferramenta S7.
- Aços O (Trabalho a Frio Endurecido em Óleo): Possuem temperabilidade aprimorada em relação aos aços W, permitindo a têmpera em óleo, o que minimiza a distorção. Oferecem boa resistência ao desgaste e propriedades não deformáveis. Utilizados em machos, alargadores, matrizes de corte e matrizes de conformação. Os aços O6 e A10 contêm grafite para melhor usinabilidade e vida útil da matriz. Nossa empresa oferece O1 e Aço para ferramentas O2.
- Aços A (Aço de média liga endurecível ao ar para trabalho a frio): O alto teor de liga permite o endurecimento ao ar, o que minimiza a distorção e promove a estabilidade dimensional. Oferecem excelente resistência à abrasão e boa resistência ao revenimento, sendo adequados para aplicações de trabalho a frio. As aplicações incluem facas de corte, punções, matrizes de corte, matrizes de conformação e calibradores. Nossa empresa oferece Aço para ferramentas A2.
- Aços D (Trabalho a Frio com Alto Teor de Carbono e Alto Teor de Cromo): Oferecem excelente resistência ao desgaste, propriedades antideformatórias e mínima alteração dimensional no endurecimento devido ao alto teor de carbono (até 2,25%) e cromo (12-14%). Utilizados em matrizes de corte e perfuração, matrizes de trefilação e lâminas de cisalhamento. Oferecemos D2, D3, e Aço para ferramentas D6.
- Aços H (Trabalho a Quente): Projetados para operações em temperaturas elevadas (200 °C a 800 °C), como forjamento a quente, estampagem a quente, extrusão e fundição sob pressão. Combinam dureza vermelha com boa resistência ao desgaste e ao choque. Exemplos incluem H10, H11, H12, H13, e H21.
- Aços rápidos M (à base de molibdênio): Contêm molibdênio como principal elemento de liga, frequentemente com tungstênio e cobalto. São utilizados em ferramentas de corte de alta velocidade, como brocas, alargadores e fresas, devido à sua excelente resistência ao desgaste e dureza a quente. M2, M35, e M42 são tipos comuns.
- Aços rápidos à base de tungstênio (T): Alta concentração de tungstênio, mas sem molibdênio. Aplicações semelhantes à série M, oferecendo excelente resistência, tenacidade, resistência ao desgaste e dureza a quente. T1, T4, T5, T8 e T15 são exemplos.
- Aços L (Baixa Liga para Uso Especial): Possuem composições semelhantes aos aços de liga AISI, mas com maior teor de carbono. Oferecem temperabilidade moderada e podem ser temperados em óleo, proporcionando maior tenacidade do que os aços de alto carbono endurecíveis em óleo. Utilizados em mandris, matrizes, pinos, punções e peças de máquinas-ferramenta. Oferecemos Aço para ferramentas L6.
- Aços P (Molde): Aços de baixo carbono, frequentemente cementados, utilizados em moldagem de plástico e aplicações de fundição sob pressão. Destacam-se pela polibilidade, baixa distorção e boa usinabilidade. Nossa empresa oferece P20, P20+Ni, and P20+S.
- Aços F (carbono-tungstênio para fins especiais): Amplamente utilizado para brocas de pequeno diâmetro.
Based on their intended use, they can also be classified as aços para ferramentas de trabalho a frio, aços para ferramentas de trabalho a quente, plastic mold steels, e aços rápidos.
Tratamento térmico
O tratamento térmico é um processo fundamental para alcançar o melhor desempenho do aço para ferramentas. O processo geralmente é dividido em três etapas:
- Austenitização: The steel is heated to a specific temperature above its critical range for a defined period. This transforms the crystal structure to austenite and dissolves carbides.
- Têmpera: Resfriamento rápido da temperatura de austenitização para transformar a austenita em martensita, que é a estrutura da matriz dura dos aços. O meio de têmpera (água, óleo, ar, sal) depende da temperabilidade do aço e da estabilidade dimensional desejada. Aços-ferramenta geralmente apresentam alta temperabilidade, permitindo a têmpera em óleo ou ar para minimizar a distorção em comparação com aços carbono temperados em água.
- Têmpera: Reaquecimento do aço temperado e endurecido a uma temperatura intermediária abaixo da faixa crítica para reduzir tensões internas, aumentar a tenacidade e ajustar a dureza. Isso também auxilia na transformação da austenita retida em martensita. Ciclos de revenimento duplo ou triplo são comuns para garantir a transformação completa e o alívio de tensões.
For more information about this topic, please refer to “O tratamento térmico do aço para ferramentas“.
Aplicativos
They are indispensable in a vast array of industrial applications. They are used for:
- Ferramentas de corte: Ferramentas de torno de ponta única, brocas, alargadores, machos, fresas, fresas de topo, fresas dentadas, serras e brochas.
- Ferramentas de conformação e modelagem: Matrizes (corte, conformação, trefilação, extrusão, forjamento, forjamento a quente, cunhagem, recalque a frio, estampagem, aparagem), punções, lâminas de cisalhamento, rolos e mandris.
- Moldes: Para fundição sob pressão, moldagem de plástico (por exemplo, moldes de injeção de plástico) e moldagem de cerâmica.
- Componentes especializados: Componentes de máquinas-ferramentas, molas, fixadores de ultra-alta resistência, válvulas para fins especiais e rolamentos, onde são necessárias alta resistência ao desgaste, força, tenacidade e estabilidade de temperatura.
Perguntas frequentes
Tool steel is a special class of carbon or alloy steels, designed with high hardness, wear resistance, toughness, and often heat resistance, specifically for manufacturing tools, dies, and molds that cut, shape, or form other materials, primarily by undergoing precise heat treatments.
Tool steels are specialized steels primarily used for manufacturing tools like cutting tools, dies, and molds to shape other materials, including metals, plastics, and wood, under various temperature conditions. They are also used for high-performance machinery components and structural applications requiring high wear resistance, strength, and toughness.
Tool steels are complex iron-base alloys containing significant amounts of carbon, chromium, vanadium, molybdenum, or tungsten, and sometimes cobalt. They are specifically designed to have dispersed hard carbides within a hardened steel matrix to achieve properties like high hardness and wear resistance.
Many tool steels are high-carbon steels, with carbon content typically higher than most carbon structural steels, ranging from 0.4% to 2.5%. When high levels of carbon and alloying elements are combined in tool steel, high-hardness, high-wear-resistant carbides can be obtained after heat treatment. However, some mold steels are low-carbon (e.g., P-series) and are designed to be carburized to achieve a hard surface case while retaining a tough core.
Yes, most tool steels can rust because they are iron-based alloys. While some, particularly high-chromium types like D-series, offer appreciable resistance to staining due to their chromium content after hardening and polishing, this is generally not equivalent to the full corrosion resistance of stainless steels. Specialized martensitic stainless steels are sometimes used for molds where high corrosion resistance is required.
Tool steels are designed for high hardness, often ranging from 50 to 70 Rockwell C (HRC), depending on the specific type and heat treatment.
Strength is a material’s ability to withstand applied stress without deforming or breaking, measured by properties like yield strength and ultimate tensile strength.
Stiffness (Elastic Modulus) is its resistance to elastic (temporary) deformation under stress, meaning how much it bends or stretches before returning to its original shape.
Ductility is the ability to deform plastically (permanently) before fracturing, allowing it to be stretched or bent without breaking.
Flexibility, in terms of elastic deformation, is directly related to stiffness (elastic modulus), not strength. While tool steels are very strong, their stiffness (around 210 GPa or 30 x 10^6 psi) is relatively uniform across grades and decreases predictably with temperature. Strength, on the other hand, refers to the maximum load a material can withstand before permanent deformation or fracture.
High Hardness and Wear Resistance: To resist penetration and maintain a sharp edge against abrasive materials, often achieved through high carbon content and the presence of hard alloy carbides.
High Hot Hardness (Red Hardness): The ability to retain hardness at elevated temperatures generated during high-speed cutting.
Sufficient Toughness: To resist chipping and breaking under shock or impact loads, which is often a trade-off with extreme hardness.
Heat treatment for tool steel involves a series of controlled heating and cooling steps designed to transform its internal structure, significantly enhancing properties such as hardness, wear resistance, toughness, and hot hardness for demanding applications. The primary goal is to change the soft, annealed ferrite and carbide structure into a hard, strong martensitic structure with well-distributed carbides.
Tempering is a crucial post-hardening heat treatment that primarily increases the toughness and ductility of the steel while relieving internal stresses caused by quenching, which makes the as-quenched steel very brittle. It also helps to stabilize the microstructure, can lead to secondary hardness in some alloys by precipitating complex carbides, and transforms retained austenite into fresh martensite.
Tempering is performed immediately after the quenching step, as soon as the part cools to a safe temperature (typically between 50-75°C or 125-200°F), to minimize the risk of cracking due to high internal stresses in the as-quenched state.
Many high-alloy tool steels retain a significant amount of “retained austenite” after the initial quench because their martensite finish (Mf) temperature is below room temperature. The first tempering cycle “conditions” this retained austenite, causing it to transform into new, untempered, and brittle “fresh martensite” upon cooling from the temper. Subsequent tempering cycles (double or triple) are then necessary to temper this newly formed martensite, relieve its stresses, enhance overall toughness, refine the grain structure, and ensure dimensional stability.
Annealing involves heating the steel to an elevated temperature for a defined period (sometimes above, near, or below the upper critical temperature, typically 749–760°C for carbon steels), followed by very slow cooling, often within the furnace (e.g., 10-38°C per hour). The purpose is to soften the steel, usually to improve its machinability, homogenize its microstructure, and relieve internal stresses, resulting in a spheroidized microstructure with dispersed, spherical carbides in a ferrite matrix. Annealing is common for as-purchased steel and when reworking hardened tools.
Successful drilling of hardened tool steel primarily relies on specialized drill designs, such as solid carbide drills or heat-resistant alloy drills, combined with rigid machine setups and carefully controlled speeds and feeds.
Yes, carbide end mills are frequently used to cut tool steel, including hardened grades. They offer superior performance, wear resistance, and the ability to operate at higher cutting speeds compared to high-speed steel (HSS) cutters, often featuring advanced coatings for enhanced durability.
Yes, improper grinding can significantly damage the temper of hardened tool steel by generating excessive localized heat. This can lead to undesirable effects such as overtempering (softening the surface) or rehardening (forming a brittle, crack-prone “white layer”).
Tool steels can be welded, but it is a complex process requiring high skill and meticulous control. Proper preheating, post-weld stress relief, and precise tempering cycles are crucial to prevent cracking, minimize distortion, and manage the hardness variations within the heat-affected zone.
Yes, file steel is a type of tool steel, typically a high-carbon water-hardening grade like W1. W1 is known for achieving a very sharp edge and is used for fine kitchen knives. However, these steels have lower hot hardness and wear resistance compared to more alloyed tool steels.
No, 4140 steel is classified as a medium-carbon low-alloy steel, not a tool steel. It is widely used for machinery components and structural applications requiring good strength and toughness.
Yes, tool steels are generally much harder than most other common steels (like plain carbon or low-alloy steels) after heat treatment. They are designed for very high hardness, wear resistance, and durability.
Tool steels achieve their strength through high carbon content, which allows for the formation of very hard martensitic structures during quenching, and through alloying elements (like chromium, tungsten, molybdenum, and vanadium) that form very hard, wear-resistant carbide particles distributed throughout the steel matrix. This combination, optimized by specific heat treatments, results in high strength and wear resistance.
The primary advantages of tool steels are their high hardness, excellent wear resistance, good hot hardness (resistance to softening at elevated temperatures), durability, and strength, making them ideal for cutting, forming, and shaping other materials under severe conditions.
Yes, tool steels are a family of iron alloys. Like all steels, they are primarily composed of iron, with various alloying elements added to achieve specific properties.
All tool steels are a type of alloy steel (or high-carbon steel), but not all alloy steels are tool steels. Tool steels are a specialized category, specifically designed for tools that require extreme hardness, wear resistance, strength, and durability under severe service conditions. General alloy steels are a broader group used for structural, machinery, and other applications, where properties like hardenability, strength, and toughness are enhanced by alloying, but not necessarily to the extreme levels or specific balances required for tooling.
Steels are broadly categorized, and common classifications include: Carbon Steels, Alloy Steels, Stainless Steels, and Tool Steels. Some classifications may also include a separate category for High-Speed Steels, which are also a subset of tool steels.
“Strongest” can refer to different properties (tensile strength, yield strength, impact strength, and hardness). Ultrahigh-strength steels, which can be medium-carbon low-alloy steels (like modified 4340, such as 300M) or maraging steels, are designed for very high strength, often exceeding 1380 MPa (200 ksi) tensile strength. Highly alloyed tool steels, particularly certain high-speed steels (e.g., T15, M42) and powder metallurgy (P/M) tool steels, are also among the strongest in terms of hardness and wear resistance, capable of reaching very high Rockwell C hardness values (e.g., 66 HRC for some P/M tool steels, 69 HRC for M40 series). The “strongest” depends on the specific property of interest and the application.
