CAP 9 – AÇOS FERRAMENTAS

De um ponto de vista, aços ferramenta são utilizados em trabalho e conformação de

materiais básicos como metais, polímeros e madeira nas formas desejadas. De um ponto de

vista de composição, os aços ferramenta são de carbono ou ligas de aço e são capazes de

serem endurecidos e tratados térmicamente. Algumas propriedades desejáveis dos aços

ferramenta são alta resistência ao desgaste e dureza, boa resistência ao calor e resistência

suficiente para trabalhar os materiais. Em alguns casos a estabilidade dimensional pode ser

muito importante. Aços ferramenta também devem ser de uso econômicos e serem capazes

de serem conformados ou usinados nas formas desejadas de ferramentas.

Como as propriedades requerida também são especiais, aços ferramenta são

usualmente fundidos em fornos elétricos com um cuidadoso controle de qualidade

metalúrgico. Um grande esforço é feito para manter a porosidade, segregação, impurezas e

inclusões não metálicas no menor nível possível. Aços ferramenta são sujeitos a cuidadosas

inspeções microscópicas e macroscópicas para assegurar que suas especificações restritas

sejam conhecidas.

Embora os aços ferramentas apresentam pequena porcentagem do total de aços

produzidos, eles têm uma posição estratégica na qual são usados na produção de outros

produtos de aço e materiais de engenharia. Algumas aplicações de aços ferramentas

incluem brocas, matrizes de conformação profunda, lâminas de corte, punsões, matrizes de

extração e ferramentas de corte.

Para algumas aplicações, especialmente onde altas velocidades de corte são

importantes, outros materiais ferramenta como produtos de metal duro são alternativas mais

econômicas para aços ferramenta. A performance excepcional das ferramentas de metal

duro resulta de sua elevada dureza e resistência à compressão. Outros materiais ferramentas

estão sendo utilizados mais freqüentemente nas indústrias.

9.1 – CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FERRAMENTA

O sistema de classificação mais comumente utilizado para aços ferramenta foi

estabelecido pela “American Iron and Steel Institute (AISI)”. Esse sistema de classificação

baseia-se no método de têmpera, no método de aplicação, características especiais e

composição. Nesta, os aços ferramentas são classificados em grupos e subgrupos, listados

na tabela 9.1.

Tabela 9.1 - Classificação dos aços ferramentas

Grupo Símbolo Tabela de referência de capitulo dos

diferentes tipos 1. Aço ferramenta temperados em água

W Tabela 9.2

2. Aço ferramenta resistente a choque

S Tabela 9.3

3. Aço ferramenta trabalhado a frio Temperado em óleo Média liga temperada ao ar livre Alto C e alto Cr

O A D

Tabela 9.4 Tabela 9.5 Tabela 9.6

4. Aço ferramenta trabalhado à quente Tipo Cromo Tipo tungstênio Tipo molibdênio

H H1 até H19 H20 até H39

H40 até H59

Tabela 9.7

5. Aço rápido Tipo tungstênio Tipo molibdênio

T M

Tabela 9.8

6. Aço ferramenta com funções especiais Baixa liga

L

7. Aço ferramenta para molde P

9.2- AÇO FERRAMENTAS ENDURECIDOS EM ÁGUA (TIPO W)

9.2.1- Composição Química e Aplicações Típicas

Os aços ferramentas endurecidos em água são normalmente aços carbono com 0,6-

1,4% C, mas freqüentemente contendo 0,8-1,1% C. São adicionados em algumas ligas

0,25% V e em outras 0,50% Cr. Tabela 9.2 lista as composições químicas e aplicações

típicas dos aços ferramentas tipo W.

Tabela 9.2 - Composição Química e aplicações típicas de aços ferramentas temperados em água. Tipo AISI

%C %W %Mo % Cr % V Aplicações Típicas

W1 W2

0,60-1.40 0,60-1.40

x x

x x

x x

x 0,25

Baixo C: ferramentas de forja, ferramenta de estampo, matrizes de forjamento, ferramenta para esculpir, ferramenta para rebites, lamina de corte, punções, perfuradores, marretas; Médio C: mandris, moldes para estampos, escareador, mancais, moldes para cunhagem, molde para jóias, perfuradores, laminas de corte, ferramentas para corte de madeira. Alto C: cortadores de vidros, moldes para jóias, ferramentas de tornos, punções e moldes, mancais, ferramentas para corte de madeiras, brocas curvas. Possuindo Vanádio (W2) grão fino, maior tenacidade, baixa capacidade de endurecer.

W5 1,10 x x 0,50 x Matrizes para estampagem, matrizes que sofrem alta pressão, grandes perfuradores, mancais, rolos para trabalho a frio, chapa para elevada durabilidade.

9.2.2- Tratamento Térmico e Microestruturas

Aços ferramentas endurecidos em água são os mais baratos de todos os aços

ferramentas, mas, por causa de suas composições relativamente simples, apresentam em

geral baixa resistência ao desgaste. Aços ferramentas temperados em água apresentam

também baixa temperabilidade, como mostrado no diagrama TI (Transformação

Isotérmica) do aço ferramenta W1 na figura 9.1a.

Esses aços não são endurecidos adequadamente se não serem drasticamente

resfriados em água. Mesmo com resfriamento drástico, exceto para amostras muito finas,

apenas a parte externa do aço é transformada em estrutura martensítica enquanto o interior

ou o núcleo tem uma estrutura perlítica suave (figura 9.1b). Por causa de suas simples

composições, os aços ferramentas endurecidos em água servem como bases para

comparação com outros aços.

Figura 9.1 – (a) Transformação isotérmica (IT), diagrama do tipo W1 aço ferramenta

endurecido em água. A parte aberta da curva por volta de 1000ºF indica falta de boa

informação por causa da precisão da posição das linhas. (b) Dureza por penetração

(HRC) ¾ na barra de um aço ferramenta W1 temperado em salmoura a partir de 815ºC.

Local onde foi efetuado a medida de dureza encontra-se a 10/64 a partir da superfície,

neste ponto a dureza é RC 55.

A figura 9.2a apresenta a microestrutura de um aço ferramenta W1 (1.10% C)

depois de normalizado e resfriado ao ar para produzir uma estrutura perlítica. A figura 9.2b

mostra a microestrutura de um aço ferramenta W1 (0.94% C) depois de temperado em água

para produzir martensita e a figura 9.2c mostra a microestrutura deste aço depois de

revenido. Se o aço W1 é superaquecido em temperaturas altas acima da temperatura de

austenitização, austenita retida é formada ao longo da martensita revenida grosseira, como

mostrado na figura 9.2d.

Figura 9.2 - Microestrutura de aço ferramenta temperado em água (Tipo W). (a) W1 tempera em água de

aço ferramenta (1,10%C, 0,31%Mn): normalizado por austenitização a 912ºC e resfriado ao ar livre.

Estrutura consiste em perlita lamelar com finas cementita precipitadas nos contornos de grão (Picral 4%;

1000X). (b) W1 temperados em água (0,94%C, 0,21%Mn) aço ferramenta; austenitizado a 788ºC e

temperado em salmoura. HRC 65. Estrutura largamente constituída por martensita não revenida com

algumas partículas de carbeto não dissolvida. (nital 3%, 1000X). (c) W1 temperados em água (0,94%Mn)

aço ferramenta; austenitizado a 788ºC e temperado em salmoura e revenido, HRC 58. Estrutura martensita

revenida as manchas brancas são carbetos precipitado. (nital 3%, 1000X) (d) W1 temperados em água

(0,94%C, 0,21%Mn) aço ferramenta; austenitizado a 857ºC, temperado em salmoura e revenido a 163ºC.

HRC 65. Estrutura martensita revenida grosseira e austenita retida (branco), a qual e resultado do

superaquecimento. (nital 3%, 1000X).

Vanádio (0,25%) é adicionado ao aço ferramenta endurecido em água W2 para

inibir o crescimento de grão durante a austenitização. Vanádio dissolve no carboneto M3C

(onde a letra “M” representa um metal) e abaixa sua solubilidade. Acima da austenitização

do aço, o crescimento de grão será inibido como resultado dos carbetos estáveis. Entretanto,

como os carbetos são agentes nucleadores da perlita, a temperabilidade do aço irá

decrescer.

Cromo (0,50%) é adicionado ao aço ferramenta W5 endurecido em água para

aumentar a temperabilidade. Cromo entra no carboneto como (Fe, Cr)3C, mas tem pouco

efeito na sua solubilidade. Entretanto, quando o carboneto dissolve durante a

austenitização, a austenita é enriquecida em cromo. Como o cromo inibe a reação perlítica,

ele aumenta a temperabilidade do aço ferramenta W5.

9.3 – AÇOS FERRAMENTA RESISTENTES AO CHOQUE (TIPO S)

9.3.1. - Composição química e Aplicações típicas

Aços ferramenta resistentes ao choque são utilizados em aplicações onde tensões de

impacto repetitivas são encontradas, como em lâminas de corte, talhadeiras e rebites.

Nesses aços, a propriedade mais importante é a tenacidade, com a dureza em segundo.

Entretanto, estes aços possuem uma menor porcentagem de carbono, por volta de 0.5%, em

relação aos outros aços ferramenta e possuem uma dureza ligeiramente menor, de 56 a 60

HRC. A tabela 9.3 lista a composição química e as propriedades típicas dos aços ferramenta

resistentes ao choque tipo-S utilizados.

9.3.2. - Tratamento Térmico e Microestrutura

Um dos aços ferramenta resistentes ao choque mais importantes é o S5, o qual possui um

baixo preço, é o aço ferramenta para utilizações gerais. A liga S5 possui uma alta

porcentagem de silício e relativamente baixa porcentagem de carbono, e para assegurar a

completa transformação da ferrita em austenita ela é austenitizada a altas temperaturas, em

torno de 927°C. Ela possui média temperabilidade, como mostrado no diagrama TI da

figura 9.3.

Tabela 9.3 - Composição Química e aplicações típicas de aços ferramentas resistente a choque (tipo S). Tipo AISI

%C %W %Mo % Cr % V % outros

Aplicações Típicas

S1 0,50 2,50 x 1,50 x x Ferramentas de cortar canos, broca para concreto, matrizes de forjamento, matrizes para formas, pegadores, mandris, furadores, ferramentas pneumáticas, matrizes de recalque, laminas de corte, ferramenta de trilho, fresa de matriz padrão.

S2 0,50 x 0,50 x x 1,00 Si Talhadeiras pneumáticas e manuais, pino para mandril, matrizes para forma, mandris, ferramentas de cortar canos, rebitadores, laminas de corte, brocas, estampos.

S5 0,55 X 0,40 x x 0,80 Mn 2,00 Si

Talhadeiras pneumáticas e manuais, pino para mandril, matrizes para forma, mandris, ferramentas de cortar canos, rebitadores, laminas de corte, brocas, estampos, punções, ferramentas de revirar tubos, laminas rotatórias.

S6 0,45 X 0,40 1,50 x 1,40 Mn 2,25 Si

Matrizes de extrusão de alumínio por impacto e furadores, rebitadores, laminas de corte.

S7 0,50 X 1,40 3,25 x x Laminas de corte, furadores, talhadeiras, matrizes para formas plásticas, matrizes de tubo de comunicação a quente, matrizes de estampar, rebitadores, matrizes de garra, cunho para gravar, moldes plásticos, matrizes para colagem, fresa de matriz padrão.

A figura 9.4 mostra a microestrutura de um aço ferramenta S5 (1) depois de

normalizado, (2) temperado em óleo e (3) temperado em óleo e revenido a 400°C.

Figura 9.3 – Diagrama IT de aço ferramenta resistente a choque do tipo S5

Para aumentar a dependência da temperabilidade, foi desenvolvido o aço ferramenta S7,

que contêm 1.4%Mo e 3.25%Cr. O baixo nível de carbono de 0.50% na liga, admite alta

tenacidade e altas quantidades de Mo e Cr aumentando a temperabilidade. O velho aço

ferramenta S1 decaiu em popularidade por que ele contém 2,5% W, que o torna

relativamente caro sem nenhuma vantagem qualitativa em relação a aços ferramenta mais

baratos.

Figura 9.4 - Microestrutura de aço ferramenta resistente a choque (Tipo S) (a) S5 aço ferramenta

resistente a choque, normalizado por austenitização a 927ºC por uma hora e resfriado ao ar livre.

Estrutura consiste numa mistura de martensita e perlita grosseira. (b) S5 aço ferramenta resistente a

choque, austenitizado a 899ºC e temperado em óleo. Estrutura consiste em fina martensita não revenida.

(c) S5 aço ferramenta resistente a choque, austenitizado a 899ºC, temperado em óleo e revenido a 399ºC.

Estrutura consiste em martensita revenida refinada. (nital 2%, 1000X).

9-4 – AÇOS FERRAMENTAS TRABALHADOS À FRIO (TEMPERADO EM

ÓLEO) (TIPO O).

Aços ferramentas trabalhados a frio são largamente utilizado para ferramentas que

irão trabalhar a frio e aplicações em moldes onde a resistência ao desgaste e tenacidade são

importantes.

Os principais grupos de aço ferramentas para trabalho a frio são (1) endurecidos ao

óleo, (2) endurecido ao ar, (3) alto carbono, alto cromo. Nesta secção, somente os aços

ferramentas para trabalhos à frio do tipo O endurecido em óleo serão detalhados. Na seção

9.5 e 9.6 serão abordados, os tipos endurecidos ao ar e os tipos altos cromos e alto carbono,

respectivamentes.

9.4.1. - Composição química e aplicações típicas

Os aços ferramentas trabalhados à frio e endurecidos em óleo estão entre os aços

ferramentas mais utilizados. Suas propriedades incluem a alta dureza, alta endurecibilidade

por têmpera em baixas temperaturas, livre de trincas na seção onde foi realizada a têmpera,

e a manutenção do fio para realização de corte. Entretanto, eles não podem ser usado para

corte a altas velocidades e trabalhos a quente. A tabela 9.4 lista as composições químicas e

aplicações típicas para o uso de aços ferramentas endurecidos em óleo (tipo O).

Tabela 9.4 - Composição Química e aplicações típicas de aços ferramentas temperados em óleo e trabalhados a frio (tipo O). Tipo AISI

%C %W %Mo % Cr % V %outros

Aplicações Típicas

O1 0,90 0,50 x 0,50 x 1,00 Mn Matrizes para moldes plásticos, matrizes para estampagem, matrizes para retifica, cortadores de papel, laminas de corte, macho de abrir roscas, alargadores, ferramentas, furadores.

O2 0,90 X x x x 1,60 Mn Retificadores, estampagem, furadores, matrizes para formas a frio, broca, matrizes para moldagem de plásticos, buchas, alargadores.

O6 1,45 X 0,25 x x 0,80 Mn 1,00 Si

Matrizes para estampar, mandris, matrizes para forma, furadores, matrizes para freio, matrizes para estampagem extras profunda, machos de abrir roscas, eixos para máquinas.

O7 1,20 1,75 x 0,75 x x Mandris, machos de abrir roscas, alargadores, matrizes para estampo, broca para uso odontológicos, cortadores de papel, brocas, ferramenta para alargar.

9.4.2. - Tratamento térmico e Microestrutura

Um dos aços ferramenta mais usado é o endurecido em óleo do tipo O1. Contém

alto teor de Manganês, com 0,5% de cromo e 0,5% de tungstênio, aumentando tanto a

temperabilidade do aço que o resfriamento drástico em água pode ser evitado.

A figura 9.5 mostra como o diagrama TI desta liga é tão modificado que a baixa

taxa de resfriamento em óleo pode ser usada para produzir uma estrutura martensítica

proporcional a atingida quando o meio de resfriamento utilizado é a água. Utilizando

resfriamento lento em óleo, há menos variação dimensional, distorção e riscos de ocorrer

trincas do que com o resfriamento em água. Contudo, variação dimensional utilizando

resfriamento em óleo são ainda maiores do que as obtidas por resfriamento ao ar livre.

Figura 9.5 – Diagrama IT de aço ferramenta temperado em óleo tipo O1

Aço ferramenta tipo O1 na condição recozida consiste de ferrita e partículas de

carbonetos esferoidizados(figura 9.6a). A maioria dos carbonetos são dissolvidos durante a

austenitização a 815ºC, porém uma pequena quantidade continua não dissolvida. Após o

resfriamento em óleo até a temperatura ambiente, a estrutura consiste principalmente em

martensíta não revenida (figura 9.6b), porém também há presença de carbetos não

dissolvidos, bainita e austenita retida. Depois de temperado em óleo o aço é revenido por

2h a 150ºC, produzindo uma matriz de martensíta revenida, com alguns carbetos não

dissolvidos (figura 9.6c). Se esta liga é austenitizada a altas temperaturas, uma estrutura

grosseira é produzida depois de têmpera e retida depois do revenimento (figura 9.6d).

Figura 9.6 - Microestrutura do aço ferramenta tipo O1(temperado em óleo) (0,94% C;

0,30%Si; 1,20% Mn; 0,50% W, 0,50% Cr). (a) Condição completamente recozida:

Estrutura consiste partícula esferoídais de carbetos numa matriz martensítica revenida. (b)

tempera normal em óleo e condição revenida: austenitizado a 815ºC, temperado em óleo

até a temperatura ambiente; revenido a 150ºC por 2h. Estrutura consiste em partículas de

carbetos numa matriz martensítica revenida. (c) condição temperado em óleo:

austenitizado a 815ºC, temperado em óleo até a temperatura ambiente; Estrutura consiste

em partículas de carbetos, martensítica não revenida, provavelmente com alguma bainita e

austenita retida (branco). (d) Estrutura superaquecida: austenitizada a temperaturas igual

ao superiores a 927ºC, temperado em óleo até a temperatura ambiente; revenido a 150ºC

por 2h. (nital 3%, 1000X). Estrutura consiste em poucas partículas de carbetos próprios

de solução a altas temperaturas; também contém martensita não revenida; provavelmente

com alguma bainita e austenita retida.(nital 4%, 1000X).

9.5 - AÇOS FERRAMENTAS TRABALHADOS À FRIO (LIGA MÉDIA,

TEMPERADO AR) (TIPO A).

9.5.1. - Composição química e aplicações típicas

Os aços ferramenta trabalhados à frio e temperado ao ar são especialmente

apropriados para as aplicações onde são requeridas tenacidade excepcional e razoavelmente

boa resistência à abrasão, como para chapas, perfilados e matriz de estampagem. Estes aços

podem ser usados para matrizes complexas desde que suas mudanças do dimensional após

a têmpera e o revenido sejam somente aproximadamente um quarto dos aços de ferramenta

de Mn temperado a óleo (liga O1).

Tabela 9.5 - Composição Química e aplicações típicas de aços ferramentas trabalhados a frio (média liga) temperados ao ar livre (tipo A)

Tipo AISI

%C %W %Mo %Cr % V %

outros

Aplicações Típicas

A2 1,00 X 1,00 5,00 x X Molde para extrusão, matrizes para retificagem, matrizes para estampagem, mandris, lamina de corte, buchas.

A3 1,25 X 1,00 5,00 1,00 X Moldes para extrusão, moldes para rolos em linha, moldes para decorações, mandrils, ferramentas cerâmicas,moldes plásticos,

A4 1,00 X 1,00 1,00 X 2,00 Mn Mandris, laminas de cortes, furadores, matrizes para retificagem, matrizes para forma, cortadores, buchas.

A6 0,70 X 1,25 1,00 X 2,00 Mn Matrizes plásticas, moldes para forjamento, furadores, ferramenta de polimento, moldes para plásticos.

A7 2,25 1,00* 1,00 5,25 4,75 X Matrizes de estampos, ferramenta de polimento, matrizes para forma.

A8 0,55 1,25 1,25 5,00 X X Laminas de corte, matrizes para pressão a quente, , furadores, matrizes para retificagem, insertos para matrizes de forjamento, moldes para compressão.

A9 0,50 X 1,40 5,00 1,00 1,50 Ni Matrizes para forma e rolos, colagem de matriz, matriz de garra. ferramentas de perfuração, mandril, , matrizes de garra.

A10 1,35 X 1,50 X X 1,80 Mn 1,25 Si 1,80 Ni

Matrizes: de estampar, de forma, de retificagem.

8Opcional

Os principais elementos de liga nos aços ferramenta trabalhados à frio e temperado ao ar,

com 1 a 2 % de C, são cromo, manganês, molibdênio, vanádio e níquel. Duas ligas

importantes desta série são o tipo do Cr de 5% (liga A2) e do tipo 1% Cr , 2 a 3% Mn (liga

A4). A tabela 9.5 lista a composição química e a aplicação típica usados atualmente para os

aços ferramentas temperado com ar (Tipo A).

9.5.2. - Tratamento térmico e Microestruturas.

Os aços ferramenta trabalhados à frio e temperado ao ar do tipo A2 são usados para

as aplicações da ferramenta onde a tenacidade é mais importante do que a resistência ao

desgaste. A solução de cromo, molibdênio e vanádio como elementos de ligas na austenita

fazem esta liga altamente endurecida, como pode ser visto pelo diagrama TI na figura 9.7.

Figura 9.7 – Diagrama IT de aço ferramenta trabalhados a frio (média liga)

temperados ao ar livre (tipo A2).

A seção razoavelmente grande desta liga pode ser resfriada ao ar após a

austenitização à 968ºC. Com resfriamento muito lento de uma grande seção poderia causar

a precipitação de carbonetos e a formação de bainita, o que conduziria a mais austenita

retida. A fim evitar este problema, as seções grandes podem ser resfriadas em um banho de

sal em 540ºC e então resfriados ao ar até a temperatura ambiente.

As mudanças microestrutural que ocorrem durante o tratamento térmico de um aço

ferramenta trabalhado à frio e temperado ao ar são exemplificadas pelas mudanças que

ocorrem no aço ferramenta A2. Na condição recozida, a microestrutura do aço ferramenta

A2 consiste na ferrita baixa liga e por volta de 15 % de peso de carboneto, que são

principalmente dos tipos M7C3 e M23C6 (a letra M significa metal) (figura 9.8a). Quando

este aço é austenitizado, deve ser aquecido acima de aproximadamente 970ºC desde que a

maioria dos carbonetos da liga não se dissolvem muito rapidamente até que a temperatura

esteja acima de aproximadamente 927ºC. Após austenitização, a maioria do carbono,

cromo, molibdênio e vanádio são dissolvidos na austenita. Entretanto, aproximadamente

5% dos carbonetos residuais ainda remanescem, como pode ser visto na microestrutura

austenitizada, resfriado a ar e revenida da figura 9.8b. Os carbonetos residuais são

principalmente do tipo M7C3, mas alguns carbetos do tipo M23C6 podem também estar

presentes. O duplo revenimento da liga é necessário para reduzir a quantidade de austenita

retida e para prevenir assim as mudanças dimensionais devido à transformação do austenita

em martensita até temperatura ambiente.

Se o aço de ferramenta A2 for superaquecido durante austenitização (por exemplo, a

1010ºC) uma estrutura de grão grosseira que contenha carbetos dissolvidos é produzida

(figura 9.8c). Este tipo de estrutura é indesejável, desde que a dureza total não seja

desenvolvida na liga nesta circunstância por subseqüente tratamento térmico. Se a liga é

revenida antes sendo reservado um resfriamento ao ar até a temperatura ambiente, uma

condição de revenido quente é produzida em grandes quantidades de austenita retida estão

após o revenido (figura 9.8d). Esta condição é indesejável, desde que a dureza total não seja

alcançada e o material esteja sujeito a possível mudança dimensional na presença da

austenita retida.

Figura 9.8 - Microestrutura do aço ferramenta tipo A2(temperado ao ar livre e trabalhado

a frio) (1,0% C; 0,30%Si; 0,90% Mn; 5,25% Cr, 0,25%V, 1,10% Mo). (a) Condição

completamente recozida: Estrutura consiste partícula esferoídais de carbetos numa matriz

ferritica. (b) Austenitizado a 955ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente,

duplamente revenido a232ºC por 2h cada. Estrutura consiste em partículas de carbetos

numa matriz martensítica revenida. Essa estrutura característica do tipo A2 em condições

normais de tratamento térmico. (c) Austenitizado a 1010ºC, resfriado ao ar livre até a

temperatura ambiente, não revenido; Estrutura consiste em partículas de carbetos e

martensita não revenida e austenita retida. Perceba a estrutura de grãos grosseiros e

carbetos fundidos indicativos de superaquecimento. (d) Austenitizado 982ºC, resfriado ao

ar livre até 204ºC, duplamente revenido a 510ºC por 2h cada. Estrutura consiste em

poucas partículas de carbetos, revenida e não revenida, e austenita retida. Essa estrutura é

característica do “revenido quente” o qual é causado pelo revenido antes do resfriamento

até a temperatura ambiente.(Nital 4%, 1000X).

9-6 AÇOS FERRAMENTAS TRABALHADO À FRIO (ALTO CARBONO, ALTO

CROMO) (TIPO D).

9.6.1. - Composição química e aplicações típicas

O aço ferramenta com alto carbono e alto cromo foram introduzidos nos Estados

Unidos por volta de 1915 e foram tornados originalmente como um possível substituto para

aços ferramenta de elevadas velocidade de corte. Desde que estes aços não tenham a dureza

suficiente em velocidades elevadas do corte e forem também demasiadamente frágeis, tem

seu uso limitado para esta finalidade. Entretanto, descobriu-se que suas elevadas

resistências ao desgaste e propriedades de não conformação excepcionais os fizeram muito

úteis para o trabalho a frio com matrizes de aço. A composição química e as aplicações

típicas do principal aço ferramenta do tipo D, usado atualmente, estão listados na tabela 9.6.

Tabela 9.6 Composição Química e aplicações típicas de aços ferramentas trabalhados a frio (Alto C e alto Cr) - tipo D. Tipo AISI

%C %W %Mo % Cr % V % outros

Aplicações Típicas

D2 1,50 X 1,00 12,00 1,00 X Matrizes para forma a frio, matrizes para estampagem, matriz de laminação, punções, matrizes para extrusão a frio, mandris.

D3 2,25 X X 12,00 X X Matrizes para forma a frio, matrizes para estampagem, matriz de laminação, lamina de corte, ferramenta de polimento.

D4 2,25 X 1,00 12,00 X Matriz de estampar, ferramenta de polimento, matrizes para retificagem, ferramenta para formas, matriz para trefilar, furadores.

D5 1,50 X 1,00 12,00 X 3,00 Co Matrizes para foram a frio, matriz para estampar, matriz retificar, matriz de estampo, laminas de corte, furadores.

D7 2,35 X 1,00 12,00 4,00 X Moldes para trituradores de roda, de senhos para moldes penetrantes, matriz de ferramenta cerâmica, fieiras, achatamentos de polímeros.

A excelente resistência ao desgaste do aço ferramenta trabalhado à frio do tipo D é o

resultado do alto teor de cromo (12 %) e carbono (1,5 a 2,35 %). Diferenças na resistência

de desgaste entre o alto cromo, alto carbono do aço ferramenta é principalmente resultado

deste teor de carbono. Por exemplo, a liga 1,5%C, 12 % Cr (D2) contém por volta de 30 à

40 por cento de carbonetos a mais sob condições de equilíbrio do que a liga 2,25% C, 12 %

Cr (D3), como são indicados pela posição relativa aos pontos de D2 e D3 na seção

isotérmica do sistema do ferro-cromo-carbono em 700ºC. (Figura 9.9).

Figura 9.9 – Seção do diagrama isotérmico IT do sistema Fé-Cr-C a 700ºC. Estão indicados no diagrama a composição dos aços altos C e alto Cr (D2 e D3). O aço ferramenta trabalhado a frio e temperado ao ar livre (tipo A2) também é indicado.

O alto teor de cromo contido no aço ferramenta do tipo D fornece resistência à

oxidação em altas temperaturas e a boa resistência a manchas quando endurecido e polido.

Pequenas quantidades de molibdênio, vanádio, cobalto e tungstênio são adicionadas

para formar diferentes tipos de aços. O molibdênio aumenta a temperabilidade e a

tenacidade, mas afeta o tamanho de grão austenítico ou a quantidade de austenita retida. O

vanádio refina o tamanho de grão, mas a temperabilidade diminui quando mais de 0,8% é

adicionado. O Vanádio também diminui a austenita retida e nas quantidades acima de 1%

aumenta a tenacidade.

9.6.2. - Tratamento térmico e Microestruturas.

A fim de obter uma menor quantidade de variação dimensional com estas ligas,

deve ser aquecida lentamente e uniformemente à temperatura de austenitização. Os banhos

de sais ou os fornos com atmosfera controlada são usadas geralmente na têmpera dos aços

ferramenta de alto carbono e alto cromo.

Nos aços ferramenta D2, a adição de 0,8 % de Mo suprime a formação da perlita e

permite que a dureza total seja obtida com a refrigeração de ar. Uma pequena adição de

molibdênio aumenta extremamente a temperabilidade deste aço, como é indicado no

diagrama TI. (Figura 9.10).

O aço ferramenta D2 é usualmente resfriado ao ar para temperaturas de

austenitização em torno de 1010ºC à 1038ºC. Se aquecido à temperatura de austenitização

muito alta, sua dureza na superfície revenida será mais baixa até aproximadamente 4500 C

(figura 9.11).

Figura 9.10 – Diagrama isotérmico IT do aço ferramenta tipo D2 (alto C, alto Cr).

Figura 9.11 – Efeito da temperatura de austenitização na dureza do aço ferramenta tipo D2 depois do revenido. A grande quantidade de austenita retida 1120ºC (2050ºF) prova a causa da baixa dureza na condição revenida. Entre cerca de 450ºC (842ºF) e 1120ºC (2050ºC) prova uma transformação da austenita em martensita acompanhada da precipitação de carbetos de Cr causando um aumento na dureza.

A reação para este abaixamento da dureza é que, após austenitização acima de

aproximadamente 1090ºC, mais carbono e cromo estão dissolvidos no austenita de modo

que a temperatura de Ms seja abaixada e consequentemente mais austenita retida seja

formada. Quando a temperatura de revenido excede aproximadamente 500ºC, muito do

austenita retida é transformada em martensita, e esta transformação é em parte responsável

para o pico da dureza observado. A precipitação de carboneto de cromo pode também

contribuir para aumento na dureza para esta alta temperatura. As microestruturas do aço

ferramenta D2 após vários tratamentos térmicos são mostradas na figura 9.12.

Figura 9.12 – Microestrutura do aço ferramenta tipo D2(Alto C e alto Cr trabalhado a frio) (150% C; 0,30%Si; 0,50% Mn; 12,00% Cr, 0,90%V, 0,75% Mo). (a) Austenitizado a 1025ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente; revenido por 288ºC por 2h. Estrutura consiste em partículas de carbetos numa matriz constituída por cerca de 60-70% de martensita revenida e cerca de 30-40% de austenita retida. Essa estrutura é própria do tipo D2, em condições de tratamento térmico quando o revenido é alcançado a baixa temperatura. (b) Austenitizado a 1150ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente; duplamente revenido a 510ºC por 2h cada. Estrutura consiste em partículas de carbetos numa matriz de austenita retida com alguma martensítica revenida e não revenida também presente. Essa estrutura é característica do tipo D2 em condições superaquecida. (c) Austenitizado a 982ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente, duplamente revenido a 510ºC por 2h cada; Estrutura consiste em partículas de carbetos numa matriz martensita revenida. Essa estrutura é típica da condição aquecimento inferior. (d) Austenitizado1023ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente, duplamente revenido a 510ºC por 2h cada. Estrutura consiste em partículas de carbetos numa matriz martensítica revenida. Essa estrutura é característica do tipo D2 em condições normais de tratamento térmico. (Nital 4%, 1000X).

9.7. - AÇOS FERRAMENTAS TRABALHADOS A QUENTE (TIPO H) 9.7.1. - Composição química e aplicações típicas

Aços ferramentas trabalhados à quente são utilizados em extrusão a quente,

forjamento a quente e moldes para fundição. A seguir as características mais importantes.

1- Resistência à deformação nas temperaturas de trabalho à quente. Aços carbono

transformam - se em leves e frágeis quando submetidos à temperatura, e por esta

razão não podem ser utilizados para trabalhos à quente.

2- Relativa resistência à choques mecânicos e térmicos (especialmente se é utilizado

resfriamento à água). Para aumentar a resistência ao choque destes aços

ferramentas, o teor de carbono devem ser mantido a baixo nível.

3- Resistência à erosão e desgaste à elevadas temperaturas.

4- Resistência à deformação por tratamento térmico. Moldes complexos não devem

empenar durante o tratamento térmico, isto é solucionado utilizando - se alta

endurecibilidade do aço.

5- Resistência à formação de trincas térmicas (desenvolvimento de uma fina e

superficial trinca na ferramenta).

Os principais três tipos de aços ferramenta trabalhados à quente são (1) a base de cromo

tipo H1 à H19; (2) a base de tungstênio tipo H20 à H39; e (3) a base de molibdênio tipo

H40 à H59. A composição química e aplicações típicas destes aços ferramentas trabalhados

à quente estão listadas na tabela 9.7.

Os aços ferramentas trabalhados à quente das classes H11 à H13 contendo 5% de cromo

possuem alta temperabilidade e podem ser endurecidos seções relativamente grandes por

resfriamento ao ar com a mínima quantidade de variação dimensional. A alta porcentagem

relativa de silício no aço H13 é para melhorar a resistência a oxidação para a austenitização

à temperatura de 1010ºC. O diagrama TI do aço ferramenta trabalhado à quente H13 é

mostrado na figura 9.13. Desde que estas ligas contenham 5% de cromo e 1,5% de

molibdênio em solução sólida, o tempo de reação completa é longo exceto para a

precipitação de carbonetos.

Tabela 9.7 - Composição Química e aplicações típicas de aços ferramentas trabalhados à quente (tipo H).

Tipo AISI

%C %W %Mo %Cr %V %outros

Aplicações Típicas

Trabalho à quente (Cr)

H10 0,40 X 2,50 3,25 0,40 X Mandris, matrizes para forjamento e extrusão, polias de talhar, furadores, insertos de matriz, pegadores.

H11 0,35 X 1,50 5,00 0,40 X Ferramentas para furação, mandris, ferramentas para extrusão, moldes para forjamento.

H12 0,35 1,50 1,50 5,00 0,40 X Matrizes para extrusão, polias para talhar, pegadores, matrizes de cabeça, insertos para matriz de forjamento, furadores, mandris.

H13 0,35 X 1,50 5,00 1,00 X Insertos e matrizes para colagem, polia de talhar, pinos ejetores, matrizes para extrusão e forjamento.

H14 0,40 5,00 X 5,00 X X Matriz para extrusão convencional e de alumínio, polia para talhar, insertos de matrizes de forjamento, matriz de garra, furadores a quente.

H19 0,40 4,25 X 4,25 2,00 4,25 Co Matriz para extrusão e forjamento, insertos, mandrils, furadores.

Trabalho à quente (W)

H21 0,35 9,00 X 3,50 X X Mandris, furadeiras a quente, matriz para retificar a quente, polia de talhar, matrizes de garra.

H22 0,35 11,00 X 2,00 X X Mandrils, matrizes para estampagem a quente, furadores a quente, matrizes para retificagem a quente, matrizes de garra.

H23 0,30 12,00 X 12,00 X X Matrizes de extrusão e colagem, moldes permanentes de bronze e latão.

H24 0,45 15,00 X 3,00 X X Furadores e laminas de cortes de latão, matrizes de pressão a quente, matrizes de garra, matrizes de extrusão.

H25 0,25 15,00 X 4,00 X X Matrizes para formas os quentes, insertos de matrizes, laminas de corte, mandris.

H26 0,50 18,00 X 4,00 1,00 X Mandris, furadeiras a quente, matrizes de retificação a quente, matrizes de extrusão, matrizes de garra.

Trabalho à quente (Mo)

H42 0,60 6,00 5,00 4,00 2,00 x Polias de talhar, matrizes de retificagem a frio, furadeiras a quente, mandris e insertos de matriz.

Figura 9.13 – Diagrama isotérmico IT do aço ferramenta trabalhado à quente do

tipo H13. O aço contem carbetos residuais como austenitizados à 1010ºC, os constituintes,

austenita e carbetos estão presentes na parte esquerda e abaixo da linha de precipitação de

carbetos bem como a direita e acima.

9.7.2. - Tratamento térmico

Quando o aço ferramenta H13 é austenitizado a 1010°C por quase 1h, os carbonetos

de molibdênio e cromo são dissolvidos em solução sólida. Somente o carboneto de vanádio

permanece não dissolvido.

Resfriamento ao ar até a temperatura ambiente produz uma estrutura contendo

martensita, austenita retida, e provavelmente alguma bainita; por revenimento duplo estas

estruturas a aproximadamente 578°C, a austenita retida pode ser transformada em

martensita revenida. Durante o primeiro revenimento, a austenita retida resfriada ao ar

depois da austenitização é transformada em martensita (este processo pode ser chamado de

condicionamento). Durante o segundo revenimento a nova martensita é transformada em

martensita revenida. Revenimento duplo destes aços ferramentas trabalhados à quente é

necessário para a obtenção de máxima estabilidade dimensional.

A curva dureza x temperatura de revenido para revenimento duplo (2 + 2h à

temperatura) é mostrado para aços ferramenta tipo H12 e H13 (figura 9.14). Note que o aço

H13 necessita de boa resistência ao amolecimento desde que uma dureza Rockwell C de 45

é mantida após 4h de revenimento a 610°C.

. Figura 9.14 – Curvas de revenimento para os aços ferramentas trabalhados à quente H13 e H12. Perceba que a resistência do H13 varia mais suavemente com o aumento da temperatura e que é de grande importância para aços trabalhados à quente. 9.7.3. – Microestruturas

Aço ferramenta H13 no estado normalizado consiste basicamente de uma liga

contendo aproximadamente 3,5% em peso de carbonetos (M6C contendo principalmente

molibdênio, M7C3 contendo principalmente cromo e MC contendo principalmente vanádio)

finamente dispersos uma liga ferriítica relativamente baixa (figura 9.15a). A estrutura

depois do resfriamento ao ar e revenida é mostrada na figura 9.15b e consiste em finas

partículas de carbetos em uma matriz de martensita revenida.

Figura 9.15 - Microestrutura do aço ferramenta tipo H13 (trabalhado à quente) (0,40% C; 1,0%Si; 0,40% Mn; 5,25% Cr, 1,00%V; 1,20% Mo). (a) Condição completamente recozida: Estrutura consiste de carbetos finos esferoídais numa matriz ferritica. (b) Resfriado normalmente ao ar livre na condição revenido: austenitizado a 1010ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente, duplamente revenido à 578ºC por 2h cada. Estrutura consiste em finas partículas de carbetos numa matriz martensítica revenida. (c) Estrutura super aquecida: Austenitizado a 1150ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente, duplamente revenido à 578ºC por 2h cada. Estrutura consiste em partículas finas de carbetos em uma matriz martensítica revenida. (Nital 4%, 1000X).

9.8. - ENDURECIMENTO SECUNDÁRIO DE AÇOS MOLIBDÊNIO E

TUNGSTÊNIO.

9.8.1. - Endurecimento secundário em geral

Quando aços comuns ao carbono são revenidos, um progressivo decréscimo da

resistência e um correspondente aumento da ductilidade ocorre quando a temperatura de

revenido é aumentada no limite de 100 para 700°C. A formação de cementita e seu gradual

engrossamento na matriz ferrítica são as principais causas nas mudanças das propriedades

mecânicas.

Pela substituição da cementita com uma liga de carbonetos mais estáveis, e.g.,

carbonetos de molibdênio ou tungstênio, o amolecimento observado em aços carbono pode

ser grandemente reduzido; e se a soma suficiente de elementos de liga são adicionados, um

acréscimo de temperatura num limite de 500 a 650°C ocorrerá. Este reendurecimento

efetuado pelo revenido é chamado de endurecimento secundário.

As ligas de carboneto de molibdênio e tungstênio são mais estáveis que a cementita

e é formada neste lugar se suficiente energia de ativação for fornecida. A taxa de

crescimento das ligas de carboneto na martensita revenida é quem determina a energia de

ativação necessária para a difusão destes elementos na ferrita. Desde que a taxa de difusão

destes elementos de liga na ferrita são muito mais lentos que em aços comum ao carbono

as ligas de carboneto produzidas são muito finas e grossas para uma menor taxa. Portanto,

as propriedades de resistência de uma liga revenida de aço martensitico são muito maiores

que em aços comuns ao carbono.

9.8.2. - Endurecimento secundário em aços molibdênio

O efeito de 0,5 a 3% de Mo na produção de endurecimento secundário por têmpera

em aços contendo 0,1 % C foi bem estudada por Irving e Pickeing e os resultados estão

mostrados na figura 9.16. Para a figura 9.16, pode ser visto acima que por volta de 0,5%

Mo marca onde o endurecimento secundário ocorre e a quantidade do aumento de

endurecimento secundário aumenta com o aumento da quantidade de molibdênio. O efeito

de endurecimento secundário em aços molibdênio é causado por um precipitado muito fino

de MO2C, como é mostrado em micrografia eletrônica por Raynor et al. de um aço

contendo 4% Mo, 0,2%C (figura 9.17).

9.16 - Efeito do Molibdênio nos aços com 0,1% C temperado e revenido.

9.17 - Micrografia eletrônica, 4% Fe, 0,2% Mo, liga de carbono revenida por 7h a

550ºC: perceba que o Mo2C precipitado mostra evidência de nucleação das discordâncias.

Condição não envelhecida

O MO2C aumenta a resistência da ferrita e alcança um efeito máximo de

endurecimento secundário em torno de 550°C. O principal crescimento da resistência na

reação de precipitação é a nucleação e o crescimento de pequenas agulhas de MO2C em

rede de discordância, formando por têmpera a martensita. O crescimento de agulhas é ao

longo das três direções do cubo na ferrita e forma a estrutura Widmanstatten.

A relação de orientação é fundada por:

(1000)Mo2C//(001)Xα

[1120]Mo2C//[100] α (Mo2C direção do crescimento das agulhas)

No pico de dureza (25h à 5500C) as agulhas foram estabelecidas para serem de

aproximadamente 100 à 200 Angstrons ao longo de 10 à 20 Angstrons de diâmetro. O

Mo2C também foi estabelecido para nuclear a martensita lath (ripa) no contorno de grão

austenítico. O processo geral de engrossamento é complexo. Este processo é responsável

pelo rápido amolecimento ao qual segue o lugar após o pico da dureza ser estabelecido.

9.8.3. - Endurecimento secundário em aços tungstênio

A reação de endurecimento secundário em aços tungstênio paralelo ao aço

molibdênio desde que em ambos a nucleação separada da estrutura hexagonal dos

carbonetos M2C (onde m quer dizer metal) ocorre durante o revenido. Contudo, a extensão

do endurecimento secundário no aço tungstênio é bem menor do que no aço molibdênio,

como mostrado na figura 9.18.

A análise de microscopia eletrônica mostra que a precipitação de W2C é muito

similar a de Mo2C: A morfologia do precipitado em cada um deles é a mesma, mas o

tamanho e densidade dos precipitados são diferentes. A densidade de partícula é menor no

aço tungstênio, provavelmente devido à baixa difusividade dos maiores átomos de

tungstênio na ferrita. O aço tungstênio é mais frágil porque as partículas de carboneto de

tungstênio são maiores e (further apart). É possível que as redes de discordâncias teve um

melhor tempo para engrossar antes que ficassem presas no lugar pelas partículas W2C. A

figura 9.19 mostra uma típica dispersão de W2C após atingir 100h a 600°C. O W2C não

engrossa tão rápido quanto o Mo2C uma vez atingido. Novamente, essa diferença é

atribuída a lenta difusão dos átomos de tungstênio.

9.18 - Efeito do tungstênio na dureza no aços com 0,1% C temperado e

revenido

9.19 - Micrografia eletrônica, 6,3% Fe, 0,23% W, aço carbono depois de revenido por 100h a 600ºC. Estrutura mostra carbetos de tungstênio W2C grosseiros. Condição não envelhecida.

O aço Fe3C com 6,3%W, 0,23%C foi observado que transforma-se em W2C em três

maneiras.

1. Pela nucleação do Fe3C/interfaces ferritícas, onde W2C gradualmente troca às ripas

de Fe3C.

2. Pela nucleação do W2C em discordâncias herdadas pelas na transformação

martensítica.

3. Pela nucleação do W2C na vizinhança do contorno de grão do Fe3C esferoidizado.

M6C é primeiramente detectado no contorno de grão austenítico anterior e as ripas

martensíticas durante o processo. Ripas grossas e esferoidizadas de M6C também se

formam dentro dos grãos ferritícos. O processo prolongado produz partículas muito grossas

de M6C no contorno de grão, o qual provavelmente seria por causa da baixa temperatura

dúctil e tenacidade.

A seqüência de revenido é a seguinte

Fe3C →W2C→M6C

(Dentro da matriz)

M23C6 →M6C

Fe3C →W2C + M23C6 →M6C + M23C6 (No contorno de grão)

9.9 - AÇOS FERRAMENTA DE ALTA VELOCIDADE (TIPOS T E M)

9.9.1. - Composição química e aplicações típicas

Aços ferramenta de alta velocidade, mais conhecido por aços rápido, são aços

altamente ligados que são usados para altas taxas de corte de metais muito duros (dai o

nome “altas velocidades”). Como as velocidades de corte envolvidas com esses aços

freqüentemente causam altas temperaturas na ponta da ferramenta na faixa rubra, eles

devem ser resistentes ao revenido a estas temperaturas. A capacidade de um aço em resistir

ao amolecimento na faixa de aquecimento ao rubro é chamada dureza ao rubro e é uma

propriedade importante dos aços rápido. Esses aços precisam ter também boa resistência ao

desgaste e alta dureza para serem capazes de manter a lâmina de corte por períodos

prolongados.

Aços rápido foram desenvolvidos para muitas aplicações diferentes e contém

tungstênio e/ou molibdênio para a formação de carbetos e dureza ao rubro, vanádio para

aumentara a resistência à abrasão e cromo para reduzir a oxidação e aumentar a dureza. Às

vezes o cobalto é adicionado para melhorar o endurecimento a altas temperaturas. Aços

rápido são divididos em dois grupos: (1) tungstênio, tipo T e (2) molibdênio, tipo M.. A

composição química e as aplicações típicas dos aços ferramenta selecionados são dados na

tabela 9.8.

9.9.2. - Desenvolvimento dos Aços Rápido

O primeiro aço ferramenta de alta velocidade a ser desenvolvido teve como base o

tungstênio. Em 1904 a adição de 1% de vanádio em um aço 18% W, 4% Cr levou ao

desenvolvimento do aço de alta velocidade 18-14-1 (18% W, 4% Cr, 1% V), o qual foi

chamado de T1. Esta liga foi o aço rápido padrão por muitos anos e ainda é utilizado

extensivamente nos dia de hoje. Cobalto foi adicionado ao aço rápido na Alemanha em

1912 e ainda é utilizado hoje para aumentar a dureza ao rubro (veja Tabela 9.8). Com o

passar do tempo, toda uma série de aço rápido com base em tungstênio foi desenvolvida

com a quantidade de tungstênio variando entre 12 a 20%, junto com 4% Cr e 1 a 5% V. Em

algumas ligas, de 5 a 12% Co é adicionado para aumentar a dureza a altas temperaturas.

Até por volta de 1930, o preço do molibdênio era aproximadamente o mesmo do

tungstênio, enquanto que o molibdênio não era usado extensivamente nos aços rápido

Entretanto, com a descoberta de grandes depósitos de molibdênio no Colorado, muitos aços

rápido do tipo molibdênio foram desenvolvidos. O tipo M1 foi desenvolvido primeiro e

continha 9% Mo e 1.5% W. Depois o M2 com 6% W, 5% Mo e 2% V foi desenvolvido.

Hoje nos Estados Unidos, por volta de 80% dos aços rápido utilizados são do tipo

molibdênio. Entretanto na Inglaterra, são preferidos os aços ferramenta de alta velocidade

com base em tungstênio.

Os aços rápido de molibdênio têm custo menor, e por essa razão eles dominam o

mercado dos EUA. Entretanto, aços ao molibdênio são mais suscetíveis a descarbonetação

e requerem melhores controles de temperatura durante o tratamento térmico. O aço rápido

de uso geral nos EUA atualmente é o tipo M2, enquanto na Inglaterra a liga T1 ainda é

predominante.

Tabela 9.8 - Composição Química e Aplicações típicas de aços rápidos (tipo T). Tipo AISI

%C %W %Mo %Cr % V % outros

Aplicações Típicas

Aço rápido (W)

T1 0,75 18,00 X 4,00 1,00 X Machos de abrir roscas, matrizes para laminação, cortadores, insertos de matriz e matriz para extrusão a quente.

T2 0,80 18,00 X 4,00 2,00 X Brocas, alargadores, ferramentas para planos, ferramentas para forma.

T4 0,75 18,00 X 4,00 1,00 5,00 Co Brocas, alargadores, ferramentas para planos, ferramentas para forma, ferramentas de cortes em pontos simples.

T5 0,80 18,00 X 4,00 2,00 8,00 Co Ferramenta para cortes de elevada dureza, ferramentas para planos, ferramentas para forma.

T6 0,80 20,00 X 4,60 1,50 12,00 Co Ferramentas cutoff, ferramentas para planos.

T8 0,75 14,00 X 4,00 2,00 5,00 Co Ferramentas cutoff, ferramentas para planos.

T15 1,50 12,00 X 4,00 5,00 5,00 Co Ferramentas para formas, brocas, ferramentas para alta ductilidade e resistência.

Aço rápido (Mo)

M1 0,85 1,50 8,50 4,00 1,00 X Machos de abrir roscas, furadores, ferramentas para planos, brocas.

M2 0,85-1,00

6,00 5,00 4,00 2,00 X Machos de abrir roscas, furadores, ferramentas para planos, brocas.

9.9.3. - Aços Rápido Tipo Tungstênio

Para esses aços rápido, o tipo T1 será utilizado para ilustrar as mudanças na

estrutura que ocorrem durante a solidificação, no trabalho a quente e no tratamento térmico.

Solidificação e a estrutura fundida. - A estrutura fundida do aço rápido 18-4-1 pode ser

melhor considerada como referência para um diagrama de fase o qual é uma seção

pseudobinária de Fe-58% W-4% Cr versus o sistema de carbono (figura 9.20).Quando o

líquido de um aço ferramenta 18% W -4% Cr contendo aproximadamente 0.75% C é

solidificado, dendritas de ferrita-δ formam primeiro no metal a 1475oC. Como a

solubilidade de carbono e os elementos de liga são muito restritos na ferrita-δ, o líquido se

torna enriquecido deles e aumentam ainda mais os precipitados de austenita no

resfriamento, os quais são ricos em elementos de liga em volta das dendritas de ferrita.

Com o decréscimo da temperatura para 1350oC, uma região de Quarta fase é

atravessada onde os carbetos e a austenita são precipitados do líquido e a ferrita-δ

transforma em austenita. A reação total é como segue:

Líquido + δ → γ + M6C (M6C ~ Fe3W3C)

Como a reação acontece vagarosamente, a solidificação de equilíbrio não é

completa e a solidificação real acontece por duas reações:

Líquido → γ + M6C (ferrita eutetóide)

δ → γ + M6C (ledeburita eutetóide)

Como o resultado do resfriamento não é uniforme em um aço ferramente altamente

ligado, os produtos das reações e suas distribuições variam grandemente em todas as seções

do lingote e a seção cilíndrica pesada resulta em uma estrutura fundida (figura 9-21). Como

a distribuição de carbetos é um fator importante na performance de um rápido, a estrutura

fundida precisa ser trabalhada a quente extensivamente para dispersar os carbetos por toda

a estrutura.

L: liquido; A: austenita; F: ferrita; C Fe3W3C.

9.20 – Diagrama de fases do sistema Fé-W-Cr-C. Seção com 18% W, 4%Cr

9.21 – Microestrutura do aço rápido T1 fundido, mostrando regiões fortemente nucleadas.

(Nital 5% 100X).

Trabalho a quente. - Depois de fundida, a estrutura precisa ser mecanicamente trabalhada

a quente por deformação plástica para eliminar a heterogeneidade. A estrutura celular de

fundição é desintegrada pela deformação plástica e a austenita e os carbonetos são

refinados. O alongamento das redes cristalinas, das redes parciais e dos carbonetos

segregados, ocorrem na direção de deformação; mas com grandes reduções da área da

seção transversal, os carbonetos e as bandas de espessura são reduzidos a limites estreitos,

como mostrado na figura 9.22. Uma redução na área da seção transversal de 90 a 95% é

considerada necessária para obter uma quebra satisfatória da estrutura de carbonetos.

9.22 – Microestrutura do aço rápido T1, mostrando bandas de carbetos na direção longitudinal. Estrutura após trabalho à quente. (Nital 5% 100X).

Tratamento térmico dos Aços Rápido - O fator mais importante que afeta a performance

final de uma ferramenta de corte é seu tratamento térmico. Se o tratamento térmico não é

executado corretamente ,uma performance inferior será obtido.

Estrutura de um aço rápido do tipo T1 na condição recozida. - Na condição recozida, a

estrutura de um aço rápido T1 consiste de 30% de carbonetos complexos em uma matriz de

ferrita (Figura 9-23a). Estes carbonetos têm sido identificados e relacionados em três

grupos: (1) M6C, (2) M23C6 e (3) MC.

9.23 – Microestrutura do aço rápido T1(0,75% C, 18,00% W, 4,00% Cr, 1,00% V) (a) condição completamente recozida, estrutura consiste de partículas grandes e pequenas numa matriz ferritica. (Nital 2% 1000X). (b) Condição temperada: Austenitizado a 1279ºC de 3 a 4 minutos temperado em água salgada até 607ºC, e resfriado ao ar livre. Estrutura consiste em partículas de carbetos não dissolvidos em martensita não revenida. (Nital 10% 100X). (c) Condição de tempera e revenido normal: Austenitizado a 1279ºC de 3 a 4 minutos temperado em água salgada até 607ºC, e resfriado ao ar livre e duplamente revenido a 538ºC. Estrutura consiste em partículas de carbetos não dissolvidos numa matriz martensita revenida. (Nital 4% 100X).

1. A composição do carboneto duplo M6C varia de Fe4W2C para Fe3W3C. Esses

dissolvem moderadas quantidades de cromo, vanádio e cobalto, e tem sua importância

nas reações de endurecimento secundário as quais produzem a propriedade de dureza ao

rubro. (veja seção 9.8)

2. O carboneto M23C6 é essencialmente um carboneto de cromo, mas pode dissolver

grandes quantidades de ferro, vanádio e molibdênio. Este carboneto se dissolve em

grande quantidade na austenita, e, portanto é importante na formação da martensita na

estrutura de tratamento térmico.

3. Os carbonetos MC, ou carbonetos de vanádio, variam sua composição de VC até V4C3 e

possuem alguma solubilidade para o ferro, cromo, tungstênio e molibdênio. Ele confere

a resistência ao desgaste por causa de sua grande dureza e boa resistência à abrasão.

Estrutura do Aço Rápido T1 na Condição de Têmpera e Revenido

Austenitização. - Depois de um ou dois pré-aquecimentos para minimizar as tensões

térmicas e para servir como um tratamento de solubilização para os carbonetos da liga, o

aço rápido T1 é austenitizada em uma faixa de 1250oC a 1290oC. Esta faixa de temperatura

está logo abaixo da linha “liquidus” e o aquecimento precisa ser cuidadosamente controlado

para evitar a fusão dos eutéticos.

A temperatura de austenitização precisa ser tão alta quanto possível para se ter certeza que

a maior quantidade necessária de carbonetos seja colocada em solução sólida, pois assim a

máxima dureza será obtida depois da têmpera e revenido. A divisão dos elementos de liga

entre os carbonetos e a matriz em um aço rápido tipo tungstênio T4 é mostrado na figura

9.24 e é similar a isso para a liga T1, a qual tem a mesma composição que a liga T4 com

menos de 5% Co. Poderá ser notado que, na condição recozida, mais da metade do cromo é

dissolvido na matriz e essa divisão é aumentada para 90% na condição austenitizada

comercial. O maior aumento na solubilização do carboneto M23C6 toma lugar abaixo de

650oC. O tungstênio aumenta na matriz gradualmente com o revenido então, a metade dele

é dissolvido depois da austenitização comercial. No aço T1 a maioria do vanádio dissolve

nos carbonetos M6C e M23C6. O aço não pode ser mantido por muito tempo na temperatura

de austenitização senão o crescimento de grão e a descarbonetação irão ocorrer.

9.24 – Participação de elementos entre carbetos e matriz no aço ferramenta alto W T4.

Têmpera: A têmpera é realizada para produzir estrutura austenítica. Um aquecimento a

560oC seguida por um resfriamento em ar a temperatura ambiente é usado para minimizar

distorções e fraturas. Também, aquecendo-se entre 540-650oC minimiza precipitação do

contorno de grão desde que isso ocorra em altas temperaturas, como pode se notar no

diagrama TI do aço ferramenta T1 (figura. 9.25).

9.25 – Diagrama IT para o aço ferramenta rápido T1 (temperatura de austenitização,

1290ºC).

A microestrutura do aço ferramenta T1 temperado consiste em 60-80% altamente

ligada de martensita tetragonal, 15-30% de austenita retida, e 5-10% carbonetos de M6C e

VC não dissolvidos (figura. 9.23b).

Revenimento: as mudanças na microestrutura do aço rápido T1 por meio do revenido pode

ser dividido em quatro estágios.

1- Primeiro Estágio: (temperatura ambiente a 400oC). Aquecendo se da temperatura

ambiente a 400oC a martensita tetragonal, decompõem-se em martensita de estrutura

cubica e forma carboneto ε hexagonal. Este carboneto, na qual é precipitado por volta

de 270oC, dissolve num aquecimento futuro e é substituído por cementita entre

300/400oC. No aquecimento da temperatura ambiente até 400oC a dureza Rockwell

decresce de 2 a 6 pontos, como mostra a figura 9.26.

9.26 – Efeito da temperatura de revenimento na dureza do aço ferramenta rápido T1- 0,70% C- depois de temperado a partir de 1204ºC, 1260ºC, 1315ºC. Para este aço a temperatura

normal de austenitização é 1290ºC. tempo de revenido 5h.

2- Segundo Estágio: (470-570oC). Na faixa de 500oC, algumas cementita se dissolvem e

precipitados de carbonetos do tipo M2C surgem, levando a um endurecimento

secundário (figura 9.6).

3- Terceiro Estágio: (500-620oC). No resfriamento da temperatura de revenido, ocorre

transformação da austenita retida, provavelmente precedida por precipitação de ligas de

carbonetos na austenita. Figura 9.27 mostra micrografias eletrônicas na qual mostra

regiões martensíticas não revenida produzidas pela transformação da austenita retida em

matensita no resfriamento após revenido à 565oC. Para eliminar as novas martensitas

formadas, o aço T1 sofre um revenimento duplo. Figura 9.23c mostra a microestrutura

desse aço depois do duplo revenido à 538oC.

4- Quarto Estágio: (acima de 620oC). Acima de 620oC, os M2C e Fe3C dissolvem

enquanto que ao mesmo tempo os carbonetos M6C e M23C6 precipitam e coalescem,

resultando em um decréscimo rápido da dureza por volta de 620-650oC.

9.27 - Micrografia eletrônica do aço ferramenta rápido T1 temperado até 130ºC e revenido 24h a 565ºC. a estrutura mostra um plano base de martensita não revenida em contraste com a forte precipitação de carbetos em martensita revenida.

Aço Rápido Tipo Molibdênio

Molibdênio pode substituir totalmente ou parcialmente o tungstênio no aço rápido e,

por causa do seu baixo custo, por volta de 80% dos aços rápidos usados nos Estados Unidos

hoje é do tipo molibdênio. O tipo M2, na qual é o mais popular nos Estados Unidos, a

porcentagem de tungstênio é reduzida a 6% enquanto o molibdênio contém 5%. O vanádio

contido nessa liga foi aumentado para 2% comparando com a liga T1 (18-4-1), na qual

apresenta 1% (Tabela 9.8 – anexo 1). O tipo M1, o tungstênio é reduzido para 1,5%, e o

molibdênio aumenta para 8%. Essa liga provou-se satisfatória para brocas e para aplicações

similares por apresentarem uma redução do custa em relação à liga M2.

Aços Ferramentas de Molibdênio são mais susceptíveis a descarbonetação e requer

um melhor controle da temperatura durante o tratamento térmico do que os aços rápidos

com base de tungstênio. Pelo o uso de banho de sal ou às vezes uma camada

descarbonetizada durante a manufatura ou tratamento térmico pode ser mantida mínima.

Aços rápidos de molibdênio tem baixas reações peritéticas e por isso devem ser

austenitizadas a baixas temperaturas. Por exemplo, a liga M2 é austenitizada entre 1190-

1230oC, enquanto a liga T1 de tungstênio é austenitizada entre 1260-1300oC.

O diagrama TI para o aço rápido M2 é mostrado na figura 9.28. Como no caso da

ligas T1, longos tempos são necessários para que a transformação possa ocorrer. Entretanto,

para evitar transformação a altas temperaturas, acima de 700oC, a liga M2, como a liga T1,

é temperada a 565oC. O efeito da temperatura de revenido na dureza do aço ferramenta M2

é mostrada na fig. 9.29. Esse gráfico é similar ao do aço T1 em que um pico secundário de

dureza é alcançado depois de um revenido por volta de 550oc.

9.28 – Diagrama IT para o aço ferramenta rápido tipo M2.

As microestruturas do aço ferramenta M2 em varias condições (figura. 9.30) também se

assemelha ao aço T1, que podem ser comparadas olhando suas estruturas. Esta é instável

desde que os átomos de molibdênio possam substituir o átomo de tungstênio e formar os

mesmos tipos de carbonetos. Por exemplo, na condição recozida há 28 vol % de carbonetos

no aço M2, que é próximo a 29,5 vol % de carbonetos no aço T1. Como o peso atômico do

molibdênio é mais ou menos a metade da do tungstênio, o peso percentual de carbonetos no

aço M2 é 20,8 comparado com 28,1wt% do aço T1.

9.29 – Efeito da temperatura de revenimento na dureza do aço ferramenta rápido M2

9.30 – Microestrutura do aço rápido M2 (0,85% C, 6,30% W, 4,15% Cr, 5,05% Mo, 1,85% V). (a) condição completamente recozida: estrutura consiste de partículas de carbeto numa ferritica. (b) Condição temperada e revenida normal: Austenitizado a 1200ºC, resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente; duplamente revenido a 550ºC por 2h. Estrutura consiste em partículas de carbetos numa matriz martensita revenida. (c) Condição temperada: Austenitizado a 1200ºC, temperada até 565ºC, resfriada ao ar livre até a temperatura ambiente; não revenido; seção longitudinal. Estrutura consiste em partículas de carbetos, martensita não revenida e austenita retida. (d) condição superaquecida: Austenitizado a 1245ºC, temperado até 565ºC e resfriado ao ar livre até a temperatura ambiente; duplamente revenido a 560ºC por 2h cada; estrutura consiste de partículas de carbeto e martensita revenida. (Nital 4% 1000X).

9.10 Metal Duro

9.10.1. - Definições e Aplicações

Metal duro consiste em divisões finas de partículas duras de carboneto de metal

refratário (W, Ti, Ta) sinterizados juntos por um filme de cobalto metálico. O cobalto é

usado como ligante para carbonetos desde que eles umedecem e dissolvem suavemente as

partículas de carbonetos sólidos. Extremamente dura e resistente ao desgaste ferramentas de

corte são feitos de metais duro. As ferramentas bits fabricadas, por exemplo, permite

velocidade em maquinas de corte 5x maiores do que aço rápido e prevê uma redução no

custo por operações em série apesar de seu alto custo de produção inicial.

9.10.2. - Produção

Metais duros de W são produzidos por mistura de finos pós de WC (de 1 a 3 µm) e

pó de cobalto metálico, assim os grãos de WC formaram uma camada com o cobalto. A

mistura então é sinterizada em hidrogênio acima do ponto de fusão do cobalto. As

partículas de WC são umedecidas pelo liquido de cobalto metálico, com pequenas

quantidades de carbonetos (por volta de 1%) sendo dissolvida pelo cobalto. A baixa

solubilidade do WC no Co comparada com a solubilidade do Fe ou a do Ni é a razão por

que o Co é usado quase exclusivamente como ligante. O cobalto também tem habilidade

superior de molhar ao carbonetos a elevadas temperaturas, que é importante na operação de

sinterização.

9.10.3. - Classificação

O metal duro pode ser dividido em dois amplos grupos: (1) um grupo feito

principalmente com carbetos de tungstênio (WC), e (2) grupo contendo grandes

quantidades contendo carbonetos de titânio e Tântalo (TiC – Ta) como também carbonetos

de tungstênio. Tabela 9.9, lista composições diferentes de grupos de carbonetos com valor

de dureza e típicas aplicações. Os carbonetos de tungstênio “puros” são usados

principalmente na fabricação de ligas não ferrosas, ferros fundidos e materiais não

metálicos. Os tipos de carbetos misturados são usados na fabricação de carbono e ligas de

aço.

Tabela 9.9 – Classificação dos metais duros

Composição, % (remanescenteWC). Grupo de

carbeto Co TaC +TiC

Dureza Rockwell

A

Densidade g/cm3

Carbeto de tungstênio em linha reta 1 2,5 – 6,5 0 – 3 93 – 91 15,2 – 14,7 2 6,5 – 15 0 – 2 92 – 88 14,8 – 13,9 3 15 – 30 0 - 5 88 - 85 13,9 – 12,5 Carbeto adicionado, predominantemente

TiC

4 3 – 7 20 – 42 93,5 – 92,0 11,0 – 9,0 5 7 – 10 10 – 22 92,5 – 90,0 12,0 – 11,0 6 10 - 12 8 - 15 92,0 – 89,0 13,0 – 12,0 Carbeto adicionado, predominantemente

TaC

7 4,5 – 8 16 – 25 93,0 – 91,0 12,5 – 12,0 8 8 - 10 12 - 20 92,0 – 90,0 13,0 –11,5 Carbeto adicionado, exclusivamente TaC 9 5,5 - 16 18 - 30 91,5 – 84,0 14,8 – 13,5

1. Finalidade para corte de ferro fundido, metais não ferrosos, super ligas e ligas

austeniticas; moldes de baixo impacto.

2. Corte violento em ferro fundido, especialmente em casos mais simples; moldes de

impacto moderado.

3. Moldes de alto impacto.

4. Corte de alta velocidade em aço, alta resistência às crateras e baixa resist6encia a

choques.

5. Média velocidade de corte em aços. Boa a resistência à cratera e moderada resistência

ao choque.

6. Corte violento em aço. Boa resistência a choque e a cratera. Moldes com moderados

impactos envolve melhoramentos.

7. Corte leve em aço onde a combinação de resistência à cratera e o desgaste de fio é

requeridos.

8. Aplicações gerais e corte profundo de aço requerendo resistência ao desgaste abrasivo

em grande escala.

9. Resistência ao desgaste em aplicações particularmente envolvendo aquecimento;

elementos de medida maquinas para aplicações especiais. Aplicações especiais

envolvendo choque mecânico e aquecimento.

9.10.4 - Microestrutura

A microestrutura do 94% WC e 6% Co ferramenta de metal duro é mostrado na

figura 9.31a, a 1500X. O grão angular do grão WC pode parecer encravado na matriz de

Co. a figura 9.31b mostra a forma de bloco dos grãos de carbetos a altas magnitudes. A

figura 9.32 mostra a microestrutura de uma mistura de WC, TiC, TaC de metal duro numa

matriz de cobalto. As partículas angulares de WC podem ser destinguidas das partículas

redondas de TaC-WC-TiC de fase de solução sólida numa matriz de cobalto.

9.31 - Carbeto cementado 94% WC, 6%Co, tamanho de grão. Estrutura consiste em

carbetos de tungstênio na matriz de cobalto. (a) (Murakami 1500X) (b) replica eletrônica, os formatos de bloco são os grãos de carbetos.

9.32 – Carbeto cementado 72% WC, 11% TaC, 8% TiC, 9% Co; densidade 12g/cm3. Partículas de baixo ângulo são WC; partículas rodiadas por regiões escuras são uma fase de solução sólida de TaC – TiC – WC. A matriz é de Co. (Murakami, 1500X).

9.10.5. - Propriedades de engenharia

O alto teor de carbonetos (90-95% por volume) do metal duro torna ele mais duro

que os aços rápidos que contem cerca de 35% de carbonetos ou níquel fundido e

ferramentas a base de cobalto que também contém cerca de 35% de carbonetos. Figura 9.33

mostra como metais duros retém sua dureza a elevadas temperaturas melhores que os aços

ferramentas e ligas com base de cobalto. Esta propriedade é importante para fabricação

desde que temperaturas acima de 815oC possa existir no gume cortante durante a fabricação

do metal rápido.

9.33 – Efeito elevadas temperaturas na dureza dos materiais para ferramenta

O metal duro também tem alta resistência a compressão (acima de 800 Ksi) e retém

mais dessa resistência a elevadas temperaturas. Essa também é uma propriedade importante

desde que as forças compreensivas acima de 150 ksi a 538-815oC possam existir no gume

cortante em altas velocidades.

Na fabricação do aço, a velocidade de corte é o principal fator na seleção do

material da ferramenta de corte. Velocidade de corte tão alta como 1000 ft/min são

possíveis com os metais duros, entretanto os aços ferramentas são limitados a velocidades

de 200 ft/min (figura 9.34).

9.34 – Velocidade de corte versus remoção de material durante o corte para vários

materiais para ferramentas.