Aço Ferramenta: A Liga Definitiva para Corte de Precisão

A composição metálica e produção de aços ferramenta

O que é aço ferramenta?

Aços ferramenta são ligas excepcionalmente duras, tenazes ou resistentes ao desgaste. Suas propriedades vêm tanto de sua química quanto de sua produção. Como o nome indica, estes aços estão prontos para trabalhar cortando, retificando, furando, perfurando, golpeando ou fazendo outros trabalhos pesados. Aços ferramenta devem ter as propriedades de material certas para sua aplicação. Por exemplo, uma broca e um punção cada um 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 baseado no uso da ferramenta.

Aços ferramenta todos têm elementos de liga que produzem carbonetos, uma rede metálica densamente empacotada que contém um metal e carbono. Carbonetos são um material refratário, o que significa que resistem a se decompor sob pressão, químicos ou calor.

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

Endurecimento de aço ferramenta por têmpera

Têmpera é um processo para endurecer aço mudando sua microestrutura.

Primeiro o aço é aquecido. Ligas de aço são aquecidas a diferentes temperaturas dependendo da quantidade de carbono na mistura. Ferro e carbono passam por diferentes "fases", nas quais as moléculas assumem formas diferentes, e estas fases dependem da química geral.

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

Têmpera em água é a forma mais rápida de temperar, e têmpera ao ar a mais lenta. O que a liga pode suportar depende de sua química. Algumas ligas podem rachar ou distorcer se resfriadas muito rapidamente, mas endurecerão bem em uma têmpera ao ar mais gentil. Outras não farão uma camada dura de martensita a menos que sejam chocadas por uma grande mudança de temperatura como na água.

Categorias de aço ferramenta

Existem seis categorias amplas de aço ferramenta. As quatro mais comuns são endurecidas a água, trabalho a frio, trabalho a quente e aço ferramenta de alta velocidade. Aplicações especializadas também usam aços ferramenta resistentes a choque e de propósito especial.

1. Endurecidas a água

   Este grupo de aços ferramenta é essencialmente aço carbono que foi tratado termicamente. Têm 0,5–1,5% de carbono. Outros elementos de liga podem estar presentes por suas diferentes qualidades, mas estes são geralmente abaixo de 0,5%. Estes metais, como níquel, tungstênio ou molibdênio, são caros. Usar menos do metal caro oferece valor para aplicações de serviço leve.

   O choque extremo de têmpera em água é necessário com este grupo de aços para obter uma camada externa dura. Ferramentas de serviço leve, peças pequenas como molas e pequenos fixadores são prováveis produtos finais. Não devem ser usados em ambientes extremos porque aços da série W são um pouco mais frágeis que outros aços ferramenta. Aços da série W são mais vulneráveis a trincas e só podem lidar com temperaturas contínuas a 150°C (302°F).

2. Aço ferramenta de trabalho a frio

   Aços ferramenta de trabalho a frio são destinados a serem usados em temperaturas "frias" — são duros, tenazes e resistentes ao desgaste, mas não em ambientes quentes. Como cortar materiais frios pode exigir mais força que cortar materiais quentes, resistência à compressão é obrigatória em aço ferramenta de trabalho a frio.

   Frio, neste contexto, não significa que é hora do metalúrgico colocar um suéter. 200°C (392°F) e abaixo é considerado um ambiente de trabalho a frio para estas ferramentas. Diferente de muitos tipos de aço, grafite frequentemente forma em aços de trabalho a frio. Este grafite torna muitas destas ligas usináveis: o grafite fornece lubrificação.

   Subcategorias de aço ferramenta de trabalho a frio são:

   • Endurecimento a óleo (Série O): Durante a produção, estas ligas são temperadas em óleo. Têm 0,85–2,00% de carbono, e geralmente menos de 1% de cada outro elemento de liga. Estes elementos podem incluir manganês, silício, tungstênio, cromo, vanádio e molibdênio.
   • Endurecimento ao ar (Série A): Durante a produção, estas ligas são temperadas ao ar. Têm 0,05–2,85% de carbono. Estes aços podem conter até 5% de cromo. Alto cromo significa que durante tratamento térmico a série A não sofrerá distorção dimensional. Cromo produz tolerâncias mais próximas.
   • Alto carbono cromo (Série D): Estes aços de trabalho a frio funcionam até 425°C (797°F). Contêm 1,4–2,5% de carbono, e 11–13% de cromo. Podem ser temperados a ar ou óleo, dependendo da liga, e experimentam muito pouca distorção em qualquer método de resfriamento. Estas ligas geralmente têm resistência à abrasão muito alta.

3. Aço ferramenta de trabalho a quente

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

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

   Existem três principais tipos de aço ferramenta de trabalho a quente, baseados no principal elemento de liga: cromo, tungstênio ou molibdênio. Alguns têm altos níveis de cromo e tungstênio, e por isso 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 diferentes vantagens.

   Subcategorias de aço ferramenta de trabalho a quente são:

   • Cromo: Aços ferramenta de trabalho a quente de 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 usadas.
   • Tungstênio: Estas ligas frequentemente não contêm molibdênio ou vanádio. Em vez disso, contêm 9–18% de tungstênio. A maioria dos aços ferramenta de trabalho a quente de tungstênio têm entre 2–4% de cromo. Isso não é universalmente verdade: por exemplo, a liga AISI H23 tem 12% de cromo e 12% de tungstênio. H23 é às vezes chamado de aço cromo, às vezes tungstênio, e às vezes ambos. Aços de tungstênio fornecem excelente resistência ao calor mas podem ser frágeis; isso é gerenciado por pré-aquecimento à temperatura de operação antes do uso.
   • Molibdênio: Muitos aços ferramenta de trabalho a quente de cromo têm um pouco de molibdênio neles. Aços de trabalho a quente premium para ambientes muito difíceis têm muito. Molibdênio cria estabilidade de calor mais alta e resistência ao desgaste em aplicações severas de trabalho a quente. Ligas de molibdênio AISI H42 e H43 são frequentemente usadas como matrizes ou cortadoras em usinas de metal para lidar com o calor e a força de corte e forjamento.

4. Aço ferramenta de alta velocidade

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

   Em 1900, aço ferramenta de alta velocidade foi estreado na Exposição de Paris. Uma multidão de fabricantes suspirou ao ver uma aresta de corte começar a brilhar vermelho-quente devido ao atrito ainda continuando a trabalhar. Onde velocidades de corte nos anos 1890 eram 1,5–9 metros por minuto, em 1905 havia máquinas movendo a 45 metros por minuto.

   Aços ferramenta de alta velocidade têm 14–18% de tungstênio, 3–5% de cromo, 0,6% de carbono, e outros elementos dependendo da aplicação.

5. Aço ferramenta resistente a choque

   Aços ferramenta resistentes a choque do Grupo S são incrivelmente fortes, construídos para ter alta resistência ao impacto. Sua resistência não reside simplesmente na superfície ou camada "chocada" da ferramenta. Podem ser usados para molas, cinzéis, matrizes de estampagem e punções. Este grupo de ligas frequentemente tem muitos elementos de liga — a maioria dos quais são vistos em outros aços ferramenta. No entanto, silício, na faixa de 0,15–3%, está presente nesta classe de aços.

6. Aços ferramenta de propósito especial

   Este grupo de ligas é onde os patinhos feios vão se empoleirar; estes metais são usados em aplicações específicas e podem até ser criados para um fabricante particular por um metalúrgico. Este grupo inclui aços de baixa liga, alto ferro onde todos os outros elementos de liga são usados parcimoniosamente. São mais parecidos com os baratos aços W e também são temperados em água. A adição mínima de outros elementos aumenta propriedades mecânicas mas mantém custos baixos. Aços de "molde" de baixo carbono também estão neste grupo de ligas de propósito especial. São usados para moldagem termoplástica que deve ser tolerante ao calor e resistente ao desgaste mas não precisam de alta resistência ao impacto.

Escolhendo um aço ferramenta

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

A necessidade de saber é diferente para indivíduos comprando ferramentas manuais. Frequentemente, um fabricante de ferramentas manuais oferecerá "aço endurecido", e então escolherá o aço baseado no uso pretendido da ferramenta. No entanto, qual grau de aço está sendo usado é algo de segredo industrial para cada fabricante de ferramentas. Os fabricantes equilibram valor e tensões de trabalho peça por peça. A melhor maneira de escolher 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 qualquer competência metalúrgica e não está cortando cantos, o design de uma ferramenta manual torna-se mais importante que a liga.

Ferreiros, fundidores e outros metalúrgicos serão mais curiosos, mesmo no nível de hobbyista doméstico. Buscar recursos e fóruns nestes grupos fornece uma riqueza de informação sobre o que pode ser esperado e quais tipos de metal podem ser melhor usados.

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