Aço ferramenta:aço que faz as coisas acontecerem

A composição metálica e a produção de aços-ferramenta

O que é aço ferramenta?

Os aços ferramenta são ligas excepcionalmente duras, tenazes ou resistentes ao desgaste. Suas propriedades vêm tanto de sua química quanto de sua produção. Como o próprio nome indica, esses aços estão prontos para cortar, retificar, perfurar, perfurar, golpear ou fazer outros trabalhos difíceis. Os aços ferramenta devem ter as propriedades de material corretas para sua aplicação. Por exemplo, uma broca e um punção precisam de dureza e resistência ao desgaste. No entanto, o punção experimenta mais impacto enquanto a broca experimenta mais cisalhamento. Engenheiros e metalúrgicos escolhem o tipo de aço ferramenta com base no uso da ferramenta.

Todos os aços ferramenta têm elementos de liga que produzem carbonetos, uma rede metálica densamente compactada que contém um metal e carbono. Os carbonetos são um material refratário, o que significa que resistem à quebra sob pressão, produtos químicos ou calor.

No entanto, não é apenas a química que faz um aço ferramenta. Um aço ferramenta também obtém sua dureza de tratamento térmico e têmpera precisamente controlados.

Endurecimento de aço ferramenta por têmpera

Extinção é um processo para endurecer o aço alterando sua microestrutura.

Primeiro o aço é aquecido. As ligas de aço são aquecidas a diferentes temperaturas, dependendo da quantidade de carbono na mistura. Ferro e carbono se movem através de diferentes “fases”, nas quais as moléculas assumem formas diferentes, e essas fases dependem da química geral.

Uma vez que o calor certo foi alcançado e mantido, a liga é então temperada, ou resfriada, através da exposição a um gás ou líquido muito mais frio. Esta têmpera congela o metal rapidamente. Quando o metal é congelado assim, muitos pequenos grãos de cristal de metal começam a congelar de uma só vez, com muito deslocamento em cada grão e entre eles. Compare isso com um resfriamento muito lento, onde os grãos esfriam lentamente ao longo do tempo em flores maiores e circulares. Os grãos de metal resfriados lentamente podem passar um pelo outro quando o metal é atingido, amassando o metal, mas não o quebrando. O congelamento por choque dá à estrutura molecular menos espaço para se mover quando atingido, tornando-o mais difícil e menos propenso a amassar. A rede metálica nessas estruturas é chamada de martensita, e é a estrutura molecular irregular e chocada da martensita que dá aos metais temperados sua dureza característica.

A têmpera com água é a maneira mais rápida de têmpera e a têmpera com ar é a maneira mais lenta. O que a liga pode suportar depende de sua química. Algumas ligas podem rachar ou distorcer se forem resfriadas muito rapidamente, mas endurecerão bem em uma têmpera ao ar mais suave. Outros não farão uma camada dura de martensita, a menos que fiquem chocados com uma grande mudança de temperatura como a da água.

Categorias de aço ferramenta

Existem seis grandes categorias de aço ferramenta. Os quatro mais comuns são os aços para ferramentas endurecidos a água, para trabalho a frio, para trabalho a quente e para ferramentas de alta velocidade. As aplicações especializadas também usam aços para ferramentas resistentes a choques e para fins especiais.

endurecido com água

Este grupo de aços ferramenta é essencialmente aço carbono que foi tratado termicamente. Eles têm 0,5-1,5% de carbono. Outros elementos de liga podem estar presentes por suas diferentes qualidades, mas geralmente são inferiores a 0,5%. Esses metais, como níquel, tungstênio ou molibdênio, são caros. Usar menos metal caro oferece valor para aplicações mais leves.

O choque extremo de têmpera em água é necessário com este grupo de aços para obter uma camada externa dura. Ferramentas leves, peças pequenas como molas e pequenos fixadores são provavelmente produtos finais. Eles não devem ser usados em ambientes extremos porque os aços da série W são um pouco mais quebradiços do que outros aços para ferramentas. Os aços da série W são mais vulneráveis a trincas e só podem suportar temperaturas contínuas de até 150°C (302°F).
Aço ferramenta para trabalho a frio

Os aços ferramenta para trabalho a frio devem ser usados em temperaturas “frias” – são duros, duros e resistentes ao desgaste, mas não em ambientes quentes. Como o corte de materiais frios pode exigir mais força do que o corte de materiais quentes, a resistência à compressão é essencial no aço ferramenta para trabalho a frio.

Frio, nesse contexto, não significa que é hora do metalúrgico vestir um suéter. 392°F (200°C) e abaixo é considerado um ambiente de trabalho a frio para essas ferramentas. Ao contrário de muitos tipos de aço, a grafite geralmente se forma em aços para trabalho a frio. Essa grafite torna muitas dessas ligas usináveis:a grafite fornece lubrificação.

As subcategorias de aço ferramenta para trabalho a frio são:
- Endurecimento do óleo (Série O):Durante a produção, essas ligas são temperadas em óleo. Eles têm 0,85-2,00% de carbono e geralmente menos de 1% de cada outro elemento de liga. Esses elementos podem incluir manganês, silício, tungstênio, cromo, vanádio e molibdênio.
- Endurecimento ao ar (Série A):Durante a produção, essas ligas são temperadas ao ar. Eles têm 0,05-2,85% de carbono. Esses aços podem conter até 5% de cromo. O alto teor de cromo significa que durante o tratamento térmico a série A não sofrerá distorção dimensional. O cromo produz tolerâncias mais estreitas.
- Cromo de alto carbono (Série D):Estes aços para trabalho a frio funcionam até 797°F (425°C). Eles contêm 1,4-2,5% de carbono e 11-13% de cromo. Eles podem ser temperados a ar ou a óleo, dependendo da liga, e sofrem muito pouca distorção em qualquer método de resfriamento. Essas ligas geralmente têm uma resistência à abrasão muito alta.

Aço ferramenta para trabalho a quente

Todos os aços ferramenta para trabalho a quente têm uma porcentagem maior de elementos de liga para criar mais carbonetos e lidar com temperaturas de trabalho mais quentes. Os aços para ferramentas de trabalho a quente podem trabalhar em temperaturas de até 1004°F (540°C). Como grupo, a maioria apresenta baixas porcentagens de carbono, abaixo de 0,6%.

O aço ferramenta para trabalho a quente é frequentemente usado na fabricação de alta temperatura com material quente maleável, como metal e vidro. Matrizes, carimbos, extrusoras e compressores podem ser feitos com aço para trabalho a quente. A ferramenta deve continuar a funcionar mesmo em exposição prolongada ao calor.

Existem três tipos principais de aço ferramenta para trabalho a quente, com base no principal elemento de liga:cromo, tungstênio ou molibdênio. Alguns têm altos níveis de cromo e tungstênio e, portanto, são classificados como tungstênio ou cromo, dependendo do fabricante. O principal elemento de liga produz o tipo de carboneto no aço, e cada carboneto oferece vantagens diferentes.

As subcategorias de aço ferramenta para trabalho a quente são:
- Cromo :Os aços para ferramentas de trabalho a quente com cromo têm 3–5% de cromo. Outros elementos de liga como tungstênio, vanádio ou molibdênio estão abaixo de 5%. Vanádio é geralmente usado no aço usado para ferramentas de corte. Este grupo de ligas (e especificamente AISI H13) são as ferramentas de trabalho a quente mais utilizadas.
- Tungstênio :Essas ligas geralmente não contêm molibdênio ou vanádio. Em vez disso, eles contêm 9 a 18% de tungstênio. A maioria dos aços para ferramentas de trabalho a quente de tungstênio tem entre 2 e 4% de cromo. Isso não é universalmente verdade:por exemplo, a liga AISI H23 tem 12% de cromo e 12% de tungstênio. O H23 às vezes é chamado de aço cromo, às vezes de tungstênio e às vezes ambos. Os aços de tungstênio oferecem excelente resistência ao calor, mas podem ser frágeis; isso é gerenciado pelo pré-aquecimento até a temperatura operacional antes do uso.
- Molibdênio :Muitos aços para ferramentas de trabalho a quente com cromo contêm um pouco de molibdênio. Aços premium para trabalho a quente para ambientes muito difíceis têm muito. O molibdênio cria maior estabilidade ao calor e resistência ao desgaste em aplicações severas de trabalho a quente. As ligas de molibdênio AISI H42 e H43 são frequentemente usadas como matrizes ou cortadores em usinas de metal para lidar com o calor e a força de corte e forjamento.
Aço para ferramentas de alta velocidade

Processos de produção modernos são possíveis em parte pela invenção desta classe de aço ferramenta. Ferramentas de corte e brocas de máquinas que funcionam em altas velocidades aquecem devido ao atrito. A inovação dos materiais de alta velocidade permitiu que os maquinistas aumentassem sua taxa de produção.

Em 1900, o aço para ferramentas de alta velocidade foi apresentado na Exposição de Paris. Uma multidão de fabricantes engasgou ao ver uma ponta começar a brilhar em brasa devido ao atrito, mas continuando a funcionar. Enquanto as velocidades de corte na década de 1890 eram de 5 a 30 pés por minuto, em 1905 havia máquinas movendo-se a 150 pés por minuto.

Os aços para ferramentas de alta velocidade têm 14 a 18% de tungstênio, 3 a 5% de cromo, 0,6% de carbono e outros elementos, dependendo da aplicação.

Aço ferramenta resistente a choques

Os aços ferramenta resistentes ao choque do Grupo S são incrivelmente fortes, construídos para ter alta resistência ao impacto. Sua força não está simplesmente na superfície ou na camada “chocada” da ferramenta. Eles podem ser usados para molas, cinzéis, matrizes de estampagem e punções. Esse grupo de ligas geralmente possui muitos elementos de liga – a maioria dos quais é vista em outros aços-ferramenta. No entanto, o silício, na faixa de 0,15-3%, está presente nesta classe de aços.
Aços especiais para ferramentas

Este grupo de ligas é onde os patos estranhos vão para o poleiro; esses metais são usados em aplicações específicas e podem até ser criados para um determinado fabricante por um metalúrgico. Este grupo inclui aços de baixa liga e alto teor de ferro, onde todos os outros elementos de liga são usados com moderação. Estes são mais parecidos com os aços W baratos e também são temperados com água. A adição minuciosa de outros elementos aumenta as propriedades mecânicas, mas mantém os custos baixos. Os aços “molde” de baixo carbono também estão neste grupo de ligas para fins especiais. Estes são usados para moldagem de termoplásticos que devem ser tolerantes ao calor e resistentes ao desgaste, mas não precisam de alta resistência ao impacto.

Escolhendo um aço ferramenta

Se estiver projetando uma máquina industrial ou comprando uma máquina para fins industriais ou de fabricação, o tipo de aço ferramenta usado é importante e deve ser especificado por um engenheiro.

A necessidade de saber é diferente para indivíduos que compram ferramentas manuais. Muitas vezes, um fabricante de ferramentas manuais oferece “aço temperado” e, em seguida, escolhe o aço com base no uso pretendido da ferramenta. No entanto, que tipo de aço está sendo usado é um segredo da indústria para cada fabricante de ferramentas. Os fabricantes equilibram o valor e as tensões do trabalho peça por peça. A melhor maneira de escolher as ferramentas é obter recomendações de profissionais da área, amigos e avaliações online, em vez de se preocupar com a liga em si. Se o fabricante tem alguma competência metalúrgica e não está cortando cantos, o projeto de uma ferramenta manual se torna mais importante que a liga.

Ferreiros, fundadores e outros metalúrgicos serão mais curiosos, mesmo no nível de hobistas domésticos. A pesquisa de recursos e fóruns nesses grupos fornece uma riqueza de informações sobre o que pode ser esperado e quais tipos de metal podem ser melhor usados.

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