Propriedades acos forjamento

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PROPRIEDADES FUNDAMENTAIS DOS AÇOS 
FERRAMENTA PARA MATRIZES DE FORJAMENTO 
 
 
 
 
Rafael Agnelli Mesquita 1) 
 
Paulo de Tarso Haddad 2) 
 
 
 
 
Os aços ferramenta empregados em forjamento a quente possuem várias 
propriedades importantes, que, analisadas em conjunto, definem o melhor aço 
ferramenta para uma dada aplicação. No presente trabalho, as propriedades de 
tenacidade e resistência a quente e ao revenido são apontadas como principais. 
Tais propriedades são discutidas e vários exemplos de falha são descritos em 
termos de ambas, justificando sua relevância. Para melhoria de vida útil, diversos 
aspectos relativos à resistência a quente e à tenacidade são apontados, em relação 
ao tipo de aço empregado, ao seu tratamento térmico e, também, em relação ao 
projeto e às condições de uso da ferramenta. Desta forma, possibilidades de 
melhoria de vida útil são apontadas, com abordagens que dependem do tipo de 
falha em questão. 
 
Palavras-chave: Aço ferramenta para trabalho a quente, forjamento, análise de 
falhas, tenacidade, resistência a quente, resistência ao revenido. 
 
 
 
Contribuição técnica a ser apresentada na XIII Conferência Internacional 
em Forjamento, Porto Alegre, RS, 14 a 16 de Outubro de 2009. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1) Engenheiro de Materiais, Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais, Professor da Universidade 
Nove de Julho. São Paulo, SP, Brasil, e-mail: rafael.mesquita@uninove.br. 
 
2) Engenheiro Metalurgista, Mestre em Engenharia Metalúrgica, Supervisor de Assessoria Técnica da 
Villares Metals S. A., Sumaré - SP, Brasil, e-mail: paulo.haddad@villaresmetals.com.br.
1. INTRODUÇÃO 
 
Apesar de presentes na maioria das aplicações industriais, os aços 
ferramenta não são tão bem definidos como os aços comuns ao carbono ou baixa 
liga. Mesmo assim, existem referências interessantes que reúnem os conhecimentos 
destes materiais, como o livro de Roberts [1]. 
Uma definição interessante de aços ferramenta é apresentada pela seção 
específica do manual da “Iron and Steel Society” [2], sendo definidos os aços 
ferramenta como: “aços ao carbono, aços liga ou aços rápido, capazes de serem 
temperados e revenidos. Geralmente são fundidos em fornos elétricos e produzidos 
sob certas práticas para corresponder a especificações especiais. Podem ser 
usados em certas ferramentas manuais ou de fixação mecânica em corte e 
conformação de materiais na temperatura ambiente ou em elevadas temperaturas. 
Aços ferramenta são também empregados numa vasta variedade de outras 
aplicações onde a resistência ao desgaste, tenacidade, resistência mecânica e 
outras propriedades são selecionadas para ótimo desempenho”. Por esta definição, 
três características principais estão presentes: i) a aplicação em processos de corte 
e conformação; ii) as características especiais de fabricação e iii) os aspectos de 
tratamento térmico. 
Apesar de não constar nesta definição, um aspecto interessante dos aços 
ferramenta, que também os difere dos materiais estruturais, é que normalmente tais 
materiais são empregados até que ocorram falhas que levem a suspensão de uso 
da ferramenta [3]. Portanto, torna-se importante avaliar as principais solicitações e 
propriedades desses materiais. 
No presente trabalho, as várias formas de solicitação e como estas promovem 
a falha da ferramenta são discutidas. O foco principal é mantido nas aplicação de 
conformação a quente, em processos de forjamento de ligas ferrosas. Assim, são 
discutidos vários exemplos de falha e sua relação com as propriedades dos aços 
ferramenta. Em especial, são destacadas as possibilidades para retardamento das 
falhas, em termos dos aços empregados, tratamentos térmicos e do próprio 
processo de forjamento, no qual as ferramentas são empregadas. 
 
 
2. SOLICITAÇÕES EM FORJAMENTO A QUENTE 
 
Várias propriedades dos aços ferramenta são conhecidamente importantes 
para suportar as diversas solicitações envolvidas no forjamento a quente. Destacam-
se as propriedades de resistência a quente, resistência ao revenido (ou perda em 
dureza), tenacidade, condutividade térmica, expansão térmica, soldabilidlade, 
temperabilildade, usinabilildade e resposta à nitretação. Mesmo não sendo 
propriedades, também são importantes características dos aços ferramenta as sua 
facilidade de tratamento térmico e o custo de fabricação, composto pelos elementos 
de liga e processo empregado na sua manufatura, que refletem no preço de 
mercado de cada tipo de aço. 
Apesar destes diversos aspectos serem importantes, a maioria das falhas 
(prematuras ou esperadas) podem ser entendidas baseadas em duas propriedades 
principais: 1) relativas à resistência a quente e ao revenido; 2) relativas à tenacidade 
do aço ferramenta. Obviamente, a falha da ferramenta possui como fator 
fundamental, também, as questões de projeto, tratamento térmico e utilização das 
ferramentas. Porém, por diversas maneiras, estas outras variáveis acabam 
“exigindo” do aço ferramenta uma resposta em termos de tenacidade ou resistência 
a quente, que pode ou não ser suficiente. E, quando excedida a capacidade do 
material a este esforço, a falha ocorrerá. 
 
2.1 Resistência a Quente e Resistência à Perda em Dureza 
 
Nas aplicações em forjamento [4], destaca-se o forjamento a quente de aços, 
especialmente de aços para construção mecânica aplicados em peças 
automobilísticas. Devido às altas temperaturas de trabalho (com a superfície das 
ferramentas atingindo mais de 500ºC [5]), a resistência a quente é primeiramente 
considerada nas aplicações de forjamento a quente. Quanto maior a temperatura de 
trabalho, menor a resistência mecânica dos aços ferramenta, dada a maior facilidade 
do movimento das linhas de discordância [6]. 
Além da temperatura atingida em forjamento a quente, o efeito do tempo de 
contato e dos diversos números de operações deve ser considerado. Primeiramente, 
deve-se considerar a elevada temperatura do tarugo forjado, normalmente acima de 
1100ºC. Durante a conformação, a superfície da ferramenta é aquecida, sendo a 
temperatura atingida tanto maior quanto maior a temperatura do tarugo e o tempo de 
contato entre a ferramenta e a peça. Em relação ao tempo de contato, este é maior 
em forjamento em prensa e menor no caso de forjamento em martelo. As regiões da 
superfície podem atingir, por exemplo, mais de 550 ºC, e assim os mecanismos de 
revenimento voltam a ocorrer no aço ferramenta. Em termos práticos, isto significa 
que diminui a dureza superficial (que indica a resistência mecânica dessas regiões), 
facilitando vários mecanismos de fim de vida das ferramentas. Desta forma, a 
resistência do aço ferramenta à perda em dureza torna-se fundamental. Também 
importante são as questões de projeto da ferramenta e variáveis do processo, sendo 
desejável que o aquecimento superficial da ferramenta seja “aliviado”. 
 
2.2 Tenacidade em Forjamento a Quente 
 
A tenacidade também é uma propriedade importante. Em locais de 
concentração de tensão, a falta de tenacidade pode gerar trincas grosseiras, que 
dependendo do tamanho implicam na suspensão da utilização da matriz. Em 
forjamento, tais trincas podem ser catastróficas, suspendendo imediatamente a 
operação, ou ter origem por fadiga mecânica. A tenacidade também é importante em 
operações de extrusão, nas partes das ferramentas auxiliares à matriz, que recebem 
o impacto do tarugo ou possuem as regiões de maior concentração de tensão. 
Um outro modo de falha em que tipicamente a tenacidade é importante são as 
trincas de fadiga térmica. Geradas pelo repetitivo aquecimento e resfriamento da 
superfície da ferramenta, uma malha de trincas finas e distribuídas pode ser 
observada em ferramentas. A profundidade de propagação das trincas é tipicamente 
dependente da tenacidade, porém a iniciação destas depende da resistênciaa 
quente e ao revenido, pois quanto maior a dureza superficial, menor a tendência ao 
início das trincas por fadiga. 
 
3. EXEMPLOS DE FALHAS RELACIONADAS À RESISTÊNCIA A QUENTE 
 
3.1 Desgaste em Punção de Forjamento a Morno 
 
Um interessante estudo de caso foi realizado em forjamento a quente, 
mostrando o efeito da perda em dureza na falha por desgaste a quente (detalhes 
podem ser obtidos na referência [7]). A ferramenta em questão é mostrada na Figura 
1a, sendo observadas falhas por desgaste e trincas. Na realidade, o retardamento 
da falha por desgaste foi tentado via aumento da dureza, que incorreu nas trincas 
mecânicas observadas. 
A análise do caso em questão, a partir de medidas de microdureza, mostrou 
que o retardamento da falha não deveria ser via aumento da dureza inicial, mas a 
redução da perda em dureza (observe a redução da dureza nas regiões próximas da 
superfície). Portanto, as opções, neste caso, devem ser relativas à utilização de 
aços ferramenta com maior capacidade de retenção de dureza após aquecimento 
(resistência ao revenido). Um comparativo deste efeito, para diversos materiais, é 
mostrado na Figura 2 (quanto mais deslocadas para direita as curvas, maior a 
resistência ao revenido do aço em questão). Destaca-se o comportamento do aço de 
nomenclatura comercial VHSUPER*, que foi aplicado nesta ferramenta com sucesso, 
como mostra a referência [7]. 
 
 
a) 
 
b) 
Figura 1: Exemplo de perda em dureza em uma ferramenta de trabalho a quente (forjamento de 
precisão) após fim de vida. Fonte: ref. [7]. 
 
* O aço DIN 1.2365 também se destaca neste sentido, porém sua aplicação é mais limitada que o 
VHSUPER, devido à menor tenacidade e temperabilidade, inviabilizando as aplicações em matrizes 
de uso geral 
 
33
35
37
39
41
43
45
47
0,1 1 10 100
Tempo (h)
D
ur
ez
a 
(H
R
C
)
Temperatura = 600ºC
DIN 1.2365
VHSUPER
H11
H13
TENAX 300
 
Figura 2: Curvas típicas de perda em dureza, para varios aços ferramenta de trabalho a quente, 
obtida da referência [8]. 
 
Para entender um pouco melhor o caso em questão, a curva da 
Figura 3 é interessante. Ela mostra a mesma análise de perda em dureza após 
solicitação em fadiga. O mesmo fenômeno é observado e o comparativo desta curva 
com os ensaios estáticos, mostra que a aplicação de deformações severas na 
superfície acelera o efeito de perda em dureza (a razão seria a introdução de 
diversos defeitos microestruturais, como linhas de discordâncias e lacunas, que 
facilitam a difusão e o coalescimento dos carbonetos secundários). 
 
 
Figura 3: Corpos de prova submetidos à fadiga térmica [9], em repetidos aquecimentos a 700ºC. 
Observar a redução de dureza nas regiões da superfície. 
 
3.2 Aquecimento Excessivo em Forjamento Progressivo 
 
Um exemplo similar ao anterior foi observado em ferramentas de forjamento 
progressivo, em equipamentos tipo Hatebur. A elevada temperatura de processo e a 
alta velocidade de forjamento (mais de uma peça por segundo) conduzem a um 
expressivo aquecimento nestas ferramentas, mesmo sendo elevada a refrigeração. 
Para tentar elevar a resistência ao revenido, as ferramentas utilizadas empregaram 
o aço rápido ligado ao Co, tipo M35 (0,9%C, 5%Mo, 6%W, 2%V, 5%Co). Mesmo 
assim, a análise da falha em questão (Figura 4), mostra que a perda em dureza era 
muito expressiva (redução de 53 para 24 HRC). 
Neste caso, diferentemente que no anterior, a solução de melhoria de vida útil 
dificilmente seria efetiva apenas com a mudança do aço em questão (pois o aço 
M35, já possui altíssima resistência ao revenido). A opção mais viável seria observar 
o processo de forjamento e o projeto do conjunto de ferramentas, de modo a 
promover melhor refrigeração e, assim, inibir o aquecimento das ferramentas. 
 
 
 
DANO 
570 HV (~ 53 HRC) 260 HV (~ 24 HRC) 460 HV (~ 46 HRC)
 
Figura 4: Punção empregado em forjamento progressivo (Hatebur), com dano por desgaste nas 
regiões de trabalho devido ao elevado aquecimento. Fonte: ref. [3]. 
 
4. EXEMPLOS DE FALHAS RELACIONADAS À TENACIDADE 
 
4.1 Fragilização de Contornos de Grão Austeníticos 
Os aços ferramenta de alta liga empregados em matrizes de forjamento, 
como o aço H13, possuem elevada temperabilidade. Por isso, nas décadas de 1930 
a 60, acreditava-se que estes materiais poderiam ser temperados com a utilização 
de baixas velocidades de resfriamento durante a têmpera, pois a obtenção da 
dureza final era entendida como o fator principal. 
Porém, desde os primeiros estudos na década de 60 até os dias atuais, 
diversos resultados da literatura mostram que este conceito incorre em erros. Em 
termo de dureza, o aço H13 pode sim ser temperado mesmo com taxas de 
resfriamento lentas (como têmpera ao ar, por exemplo). Porém, este procedimento 
promove excessiva fragilização dos contornos de grão, pela precipitação de 
carbonetos. Este efeito é normalmente indicado por uma linha tracejada na curva TRC 
do material (Figura 5) e, microestruturalmente, aparece como uma marcação 
expressiva dos contornos de grão após ataque metalográfico. Hoje é de tal modo 
importante, que a recomendação da associação americana de função sob pressão 
estabelece níveis aceitáveis de marcação em contornos de grão para aços de trabalho 
a quente aplicados em matrizes de alto desempenho (NADCA 2006, [10]). 
 
Figura 5: Curva TRC (transformação em resfriamento contínuo) do aço H13, mostrando a 
precipitação de carbonetos, para 2 temperaturas de austenitização. Quanto maior a temperatura de 
austenitização empregada, mais deslocadas para a esquerda as linhas de precipitação de 
carbonetos, sendo mais intenso o efeito de fragilização. Fonte: ref. [11]. 
 
Apesar de metalurgicamente ser clara esta necessidade, ainda podem ser 
observados casos de excessiva precipitação em contornos de grão, devido à baixa 
taxa de resfriamento na têmpera. Isto ocorre porque, em termos de tratamento 
térmico, a têmpera lenta é muito mais simples de ser realizada, evitando distorções e 
trincas. Porém, como mostram as Figuras 6, falhas podem facilmente ocorrer, devido 
à expressiva redução da tenacidade. A fragilização, além do efeito do resfriamento, 
também foi causada pela provável elevada temperatura de austenitização nos dois 
casos que, como mostra a Figura 5, acelera a precipitação de carbonetos. 
A fragilização em contornos de grão, na maioria das situações, pode ser 
revelada por uma fratura intergranular (neste caso, é indicado observar a fratura de 
um corpo de prova de impacto, não apenas a fratura da ferramenta, pois o estado de 
tensão no ensaio de impacto é mais conhecido). Um exemplo é mostrado na 
Figura 7a, que mostra o expressivo aumento na tenacidade do mesmo material, 
após retratamento com têmpera acelerada. E, na Figura 7b, a fratura intergranular 
do corpo de prova de impacto, antes do retratamento, denotando a fratura 
intergranular e a fragilização dos contornos de grão austeníticos pela têmpera com 
baixa taxa de resfriamento. 
Antes de finalizar este item, uma ressalva importante deve ser feita. Apesar 
de indesejável, um certo limite de precipitação em contornos de grão deve ser 
aceitado. Isto ocorre porque, em matrizes de dimensões consideráveis (acima de 
100 mm), não é possível estabelecer velocidades de resfriamento maiores que a 
crítica para a precipitação dos carbonetos. A limitação é física, pela transferência de 
calor no estado sólido pelo material, que depende de sua condutividade térmica 
(quanto maior a matriz, menor será a taxa de resfriamento). E, também, pela 
imposição do processo de têmpera, que não deve ser demasiadamente acelerado, 
para não levar a trincas ou distorções excessivas das ferramentas. O ponto de 
equilíbrio da velocidade de resfriamento deve, portanto,ser definido para cada 
aplicação. Uma forma interessante de controle é proposta pela NADCA, por meio do 
ensaio de impacto em corpos de prova padrão (detalhes, ver referência [10). 
 
4.2 Trincas de Fadiga Térmica em Matriz de Forjamento de Válvulas 
Um exemplo interessante da combinação de vários aspectos na falha em 
forjamento a quente pode ser observado neste item, que analisa uma ferramenta 
pequena de forjamento de válvulas. Após trabalho, a ferramenta apresenta elevada 
incidência de trincas térmicas, que de tal modo severas chegam a inviabilizar a 
utilização da ferramenta (ver Figura 8a). 
A análise das regiões afetadas mostrou que, assim como no item 3.1, o efeito 
do aquecimento de processo foi o principal fator relacionado à falha. Porém, neste 
caso, o efeito não foi relativo à perda em dureza, mas a fragilização do material. 
Devido às elevadas temperaturas atingidas na superfície, a ferramenta em questão 
apresentou uma grande mudança no seu perfil de dureza nitretada (Figura 9b). E, 
em alguns pontos da microestrutura, foram observados sinais de reaustenitização 
(regiões brancas na superfície, Figura 9a). A redução da tenacidade promovida por 
ambos aspectos, especialmente o segundo, pode explicar as trincas e o fim de vida 
da ferramenta. 
A causa de tal fragilização mostra-se ligada ao excessivo aquecimento em 
trabalho. Desta forma, a melhoria da vida útil deve envolver, preferencialmente, 
mudanças que promovam a retirada do calor introduzido na ferramenta, como 
alterações de projeto e de refrigeração (similar ao sugerido no item 3.1). 
 
 
 
 
a) 
 
 
b) 
Figura 6: Exemplos de ferramentas com falha prematura por fragilização dos contornos de grão 
austeníticos, após a têmpera. As micrestruturas com contornos de grão marcados é mostrada junto 
às fotos das ferramentas. Fonte: ref. [3]. 
 
60 J
360 J
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Heat
(a
fter
 new
 .
,
U
nn
ot
ch
ed
 Im
pa
ct
 E
ne
rg
y 
(J
)
E
ne
rg
ia
 d
e 
Im
pa
ct
o 
se
m
 
en
ta
lh
e,
 N
A
D
C
A
 1
99
0 
 Treated Tool
s-received)
Sample, a
annealing and
heat treating
Antes do Após 
Retratamento retratamento 
 
 a) b) 
Figura 7: a) estudo de tenacidade em impacto, da matriz mostrada na Figura 6a, antes e após 
retratamento. b) análise da fratura antes do retratamento, por microscopia eletrônica de varredura, 
mostrando o aspecto intergranular, resultante da fragilização dos contornos de grão. Fonte: ref. [3]. 
 
 
 
a) 
 
 
b) 
 
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Distäncia da Superfícies (mm)
D
ur
ez
a 
(H
V 
0.
2)
 Região de Trabalho
 Região não aquecida
Região de trabalho 
Perfil de dureza inicial 
2,5
c) 
Figura 8: a) matriz para forjamento de válvulas de motores, após a falha. b) análise microestrutural 
das regiões da trincas. c) perfil de dureza das regiões aquecidas (região de trabalho) e não 
aquecidas (perfil inicial). Fonte: ref. [3]. 
 
 
5. CONCLUSÕES 
 
- Dentre as várias propriedades dos aços ferramenta, a tenacidade e a resistência 
a quente são as mais importantes, relacionadas à maioria das análises de falha 
observadas no presente trabalho. 
 
- Apesar de serem propriedades conhecidas como “do aço ferramenta”, a 
tenacidade e a resistência a quente são consideravelmente influenciadas pelas 
condições de uso e tratamento térmico das ferramentas. 
 
- O aquecimento em trabalho mostra efeito importante para a vida útil de muitas 
ferramentas de forjamento a quente. Em algumas dessas situações, o emprego 
de aços de superior resistência ao revenido pode promover melhorias de vida 
útil. Em outras, a mudança de processo é necessária, para reduzir o 
aquecimento das regiões de trabalho. 
 
- Falhas também podem ocorrer por menor tenacidade, promovida por alterações 
microestruturais durante o uso ou tratamento térmico da ferramenta. Nestes 
casos, a análise dos fatores causadores é essencial para melhoria da tenacidade 
e aumento da vida útil. 
 
 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
[1] ROBERTS, G.; KRAUSS, G.; KENNEDY, R. Tool Steels. 5. ed. Materials Park, Ohio: ASM 
International, 1998. p. 1-123 e p. 219-250. 
[2] Tool Steels, Steel Products Manual, Iron and Steel Society, Apr. 1988. 81p. 
[3] MESQUITA, R. A. ; BARBOSA, C. A. . Failure Analysis in Tool Steels, p. 311-355. In: 
CANALE, L. C. F. ; MESQUITA, R. A. ; TOTTEN, G. E. Failure Analysis of Heat Treated 
Steel Components. Ohio: American Society for Metals, 2008. v. 1 
[4] BYRER, T. G.; SEMIATIN, A. L.; VOLLMER, D. C. Forging Handbook. Cleveland, Ohio: 
ASM, 1985. p. 195-217. 
[5] BERNS, H. Strength and Toughness of Hot Working Tool Steels. In: KRAUSS, G.; 
NORDBERG, H.; Tool Materials for Molds and Dies: Application and Performance. Ilinois, 
EUA: The Colorado School of Mines Press, 1987. p. 45-65 
[6] DIETER, G. E. Metalurgia Mecânica. 2. ed. Rio de Janeiro, RJ: Guanabara Dois, 1981. p. 
166-212 e p. 378-386. 
[7] MESQUITA, R. A. ; HADDAD, P. T. ; BARBOSA, C. A. . A Aplicação do Aço VHSUPER em 
Matrizes de Forjamento. Anais do 28 Senafor e 12 Conferência Internacional de Forjamento, 
2008, p. 49-62. 
[8] MESQUITA, R. A.; BARBOSA, C. A. Novo aço ferramenta de alta resistência a quente. 
Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 3, p. 63-68, 2007. 
[9] SJÖSTRÖM, J; BERGSTRÖM, J. Thermal fatigue testing of chromium martensitic hot-work 
tool steel after different austenitizing treatments. Journal of Materials Processing Technology, 
v. 153–154, p. 1089 -1096. 2004 
[10] NADCA no 229/2006 – Special Quality Die Steel & Heat Treatment Acceptance Criteria for 
Die Casting Dies, Ed. North American Die Casting Association, Holbrook Wheeling, Ilinois, 
2006, 33p. 
[11] K. –E. Thelning, Steel and Its Heat Treating, 2nd ed. Butterworths, London, 1984.