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Materiais aplicados a Indústria Naval AÇO FERRAMENTA INTEGRANTES: FELIPE SABBA GEOVANNI MONTEIRO GIUSEPPE MELAZZO HEYDER CARTNEY LUIZ CARLOS MONTEIRO RONNY PETTERSON introdução O presente trabalho traz uma explanação sobre aços ferramentas, apresentando com maiores detalhes as famílias de aços para tratamento a quente e a frio, suas características e utilização. Definição Os aços ferramentas representam um importante segmento da produção siderúrgica de aços especiais. Estes aços são produzidos e processados para atingir um elevado padrão de qualidade e são utilizados principalmente em: Matrizes; Moldes; Ferramentas de corte intermitente e contínuo; Ferramentas de conformação e corte de chapas a frio; Componentes de máquina, etc. Classificadas em uma das categorias: corte, estampagem, embutimento, forjamento, extrusão e laminação. Características Algumasde suas características: Elevada dureza e resistência a abrasão Boa tenacidade Mantém a resistência mecânica mesmo sob elevadas temperaturas Obtenção dessas características através da adição de componentes de liga, como tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês e cromo São tratáveis termicamente Quais as propriedades requeridas para um um Aço Ferramenta? Genericamente pode-se dizer que existe um elenco de propriedades desejáveis para os aços ferramenta. Entre estas propriedades destacam-se: Dureza à Temperatura Ambiente Resistência ao Desgaste Tenacidade Resistência Mecânica Temperabilidade Dureza a Quente Usinabilidade Tamanho de Grão Resistência ao Revenido Classificação Geral e tipos do Aços-Ferramentas São classificados em: composição, aplicação ou meio de resfriamento. No Brasil é seguida a classificação AISI (American Iron and Steel Institute ), apresentada adiante, que parece ser a mais difundida internacionalmente. Também é comum encontrar as classificações estabelecidas pela SAE e pela norma alemã DIN. No sistema UNS (Unified Numbering System for Metals and Alloys), os metais são classificados em nove famílias que recebem letras de identificação. Os aços ferramenta são a família T (do inglês tool) . Além da letra da família os metais são caracterizados por 5 dígitos, que podem incorporar os números de designações já existentes. CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A UNS DOS AÇOS-FERRAMENTAS. AÇOS TEMPERÁVEIS EM ÁGUA O carbono é o principal elemento de liga. Pertence ao grupo W. Aplicação: utilizados em ferramentas para forjamento a frio; cunhagem de moedas; gravação em relevo; trabalho em madeira; corte de metais duros (machos e alargadores); cutelaria e outras que requeiram resistência ao desgaste por abrasão; AÇOS RESISTENTES AO CHOQUE Principais elementos de liga: Manganês; Silício; Cromo; Tungstênio; Molibdênio; Conhecidos como Grupo S Possuem conteúdo de carbono de aproximadamente 0,50%. Apresentam uma combinação de elevada resistência e tenacidade e baixa ou média resistência ao desgaste por abrasão. Aplicação: Talhadeiras; formões; contra-rebites; punções; brocas-guia; e outras aplicações que requerem elevada tenacidade e resistência ao choque. AÇO FERRAMENTAS PARA TRABALHO A FRIO São utilizados para processos que não envolvam aquecimento repetido ou prolongado em temperaturas acima de 205 a 260ºC Aços com alto C e Cr como elementos de liga; A – Aços para trabalho a frio de média liga e têmpera ao ar Características: Altatemperabilidadee baixa deformação, devido aos teores de Cr, Mn,Mo, e em alguns casos V Alta resistência à abrasão fornecida pelo alto teor de Carbono Alta dureza Alta estabilidade dimensional na têmpera Boa resistência ao amolecimento pelo calor Usos principais: Ferramentas de corte cisalhado Dobramento Estampagem Moldagem de polímeros Matrizes para porcelana Calibres e ferramentas de medida,etc AÇO FERRAMENTAS PARA TRABALHO A FRIO D – Aços para trabalho a frio de alto Cromo e Carbono Características: Excepcional resistência ao desgaste Elevadatemperabilidade, permitindo baixa velocidade de resfriamento Alta dureza de têmpera Alta resistência ao desgaste Boa resistência ao amolecimento pelo calor Baixa resistência a esforços bruscos Usos principais: Matrizes de corte e estampagem Ferramental de forjamento a frio Matrizes derebordagem Master Hubs para conformação a frio de ferramental para a indústria de polímeros Fieiras paratrefilaçãode arames e barras Calibres econtracalibresde fabricação Tesouras para cortes de chapas,etc AÇO FERRAMENTAS PARA TRABALHO A FRIO O – Aços para trabalho a frio de têmpera em óleo Características: Baixo modificações dimensionais Boa resistência ao desgaste Resistência à fratura Baixa temperatura de têmpera Baixadeformabilidade Excelenteusinabilidade Boa capacidade de corte, na condição de temperado Usos principais: Ferramentas de corte, como fresas e alargadores Instrumentos de medida e controle Peças de máquinas como fusos para indústria têxtil e injetores para motores diesel Componentes que não devam sofrer excessiva deformação no tratamento térmico Brocas Serras circulares Matrizes de estampagem e outras A tabela acima mostra a composição química dos aços para trabalho a frio. Características Não contém os elementos de liga necessários para manter a resistência a quente. Maior temperabilidade que o grupo W, possibilitando emprego de meio de resfriamento menos drástico (óleo ou ar); Menor tendência às distorções e, portanto, trincas de têmpera que os da série W, resultando em maior estabilidade dimensional, destacando-se o grupo D Baixa resistência ao revenimento; Baixa a moderada resistência à abrasão (classe O); boa resistência à abrasão (classes A e D) A tenacidade mais alta ocorre para os aços da classe A. Microestrutura Classe A : fornecidos em forma de matriz ferrítica com carbonetos esferoidizados, com dureza máxima de 240 HB. Classe O : fornecidos em forma de matriz ferrítica com carbonetos esferoidizados, com dureza máxima de 210 HB. Classe D: fornecidos contendo carbonetos primários e pequenos carbonetos esferoidizados em matriz de perlita e ferrita, com dureza máxima de 250 HB. Aplicações Classe A : são utilizados para lâminas de cisalhamento, punções para corte de chapas e matrizes de aparar. Classe D: utilizados para ferramentas de forjamento e de estampagem profunda, calibres, rolos de laminação de roscas, ferramentas de brunimento e facas de corte. Classe O: utilizados para punções e matrizes aplicáveis a operações de corte de chapas, rebarbação, trefilação e forjamento. AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHOS A QUENTE Estes aços são desenvolvidos para suportar condições combinadas de calor. Pressão e abrasão associadas com puncionamento, cisalhamento e conformação de materiais em alta temperatura. H – Aços para trabalho a quente ao cromo (H10 a H19). Características: Resistentes a elevadas temperaturas Resistênciaa choques térmicos Resistência a choques mecânicos Altaresistência a abrasão Usos principais: Ferramentas para fundição sob pressão Ferramentas para estampagem a quente Matrizes para corte e furação a quente Matrizes de cunhar Matrizes para industrias de plástico Matrizes de forjar AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHOS A QUENTE H – Aços para trabalho a quente a tungstênio (H20 a H26) H – Aços para trabalho a quente a Molibdênio (H41 a H43) O aço ao Molibdênio foi desenvolvido como alternativa ao Tungstênio, em matéria de aplicação são análogos. Características: Resistência ao amolecimento por longotempo Resistentea elevadas temperaturas Resistência a choques térmicos Resistência a choques mecânicos Excelentetenacidade Usos principais: Ferramental para a fabricação a quente de: parafusos, porcas e rebites Ferramentas de extrusão a quente Ferramentas de forjamento horizontal Lâminas de corte Matrizes de rebarbar Ferramentas paraextruçãode latão Mordentes para máquinas de forjar; entre outros ... A tabela acima mostra a composição química dos aços para trabalho a quente. CaracterísticasComo mencionado acima, estes aços resistem a condições severas de temperatura, pressão e abrasão em serviço. Possuem excelente resistência à formação de trincas em condições de resfriamento e aquecimento sucessivos (especialmente os aços cromo). Os aços tungstênio destacam-se pela sua alta resistência à abrasão em alta temperatura. Aplicações Punções, matrizes de forjamento, matrizes de extrusão e mandris. Estes componentes são comuns no forjamento em aço, bronze e latão, na extrusão de ligas de cobre e ligas de níquel e extrusão e injeção de alumínio. Microestrutura São fornecidos como recozidos, com microestrutura de pequenos carbonetos esferoidizados dispersos em matriz ferrítica. Para a sua utilização há necessidade de temperá-los e a microestrutura é constituída de finíssimos carbonetos em matriz martensítica revenida. AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHOS A QUENTE APLICAÇAO AÇOS FERRAMENTA PARA FINS ESPECIAIS Este tipo de aço ferramenta possui pequenas quantidades de cromo, vanádio, níquel e molibdênio. A demanda por estes aços vem caindo continuamente. Atualmente, existem apenas dois subgrupos, ambos temperáveis a óleo. São os aços do grupo L. Aplicação: são utilizados em componentes de máquinas como cames, placas, mandris e pinças de tornos. A tabela acima mostra a composição química dos aços de baixa liga para aplicações especiais. Características Estes aços são normalmente temperados. A demanda por estes aços não é muito grande atualmente, devido à substituição por novos tipos de materiais. Aplicações Usados em componentes de máquinas-ferramenta como placas, árvores, cames, mandris e pinças de tornos, ou outras aplicações que requeiram boa resistência e tenacidade. Os da classe F são usados para matrizes de extrusão a frio e ferramentas para corte de latão. AÇOS FERRAMENTA PARA AÇO RÁPIDO são materiais para ferramentas, desenvolvidos para uso em aplicações de corte de metais em alta velocidade. Existem duas classificações: aços rápidos ao molibdênio (grupo M) com carbono na faixa de 0.75 a 1.52% e molibdênio entre 4.50 to 11.0%, e aços rápidos ao tungstênio (grupo T) que tem teores similares de carbono , mas altos teores de tungstênio, entre 11,75 e 21 %. Entretanto os do grupo M apresentam menor custo inicial. O aço rápido ao molibdênio (grupo M) tem elevada dureza, resistência ao desgaste e boa tenacidade. Este tipo de aço é frequentemente temperado em banhos de sais. Desenvolvido para aplicação de usinagem em elevadas velocidades. Aplicação: ferramentas, brocas, perfuratrizes, alargadores de furos, machos para abertura de roscas e fresas helicoidais. Alguns tipos podem ser utilizados para determinadas aplicações a frio, como laminadores de rosca, punções e matrizes para corte de discos. A tabela acima mostra a composição química para vários tipos de aços rápidos, das classes T e M. Características Tem grande capacidade de usinar metais com velocidades de corte superiores às dos aços carbono de baixa e média liga. A dureza destes aços não se altera com o aumento da temperatura em serviço. Tem boa estabilidade dimensional e boa tenacidade. Microestrutura São fornecidos normalmente recozidos, com microestrutura de carbonetos esferoidizados dispersos em matriz ferrítica. Para a sua utilização há necessidade de temperá-los e a microestrutura é composta de carbonetos complexos em matriz martensítica. Aplicação São utilizados para ferramentas de corte em geral, entre elas brocas, alargadores, machos para roscas e fresas. Podem também ser utilizados para operações de conformação a frio como matrizes para corte de discos e laminadores de roscas. AÇOS FERRAMENTA PARA MOLDAGEM Principais elementos de liga: cromo e níquel. Características: de baixa resistência ao amolecimento em altas temperaturas. Aplicação: utilizados quase que exclusivamente em peças fundidas sob pressão ou em moldes para injeção ou compressão de plásticos e são classificados como grupo P. A tabela acima mostra a composição química dos aços para moldes Características Possuem baixa resistência ao amolecimento em temperaturas elevadas, o que limita seu uso. Possuem excelente homogeneidade que permite alto grau de polimento superficial. Tem boas características de usinabilidade. Podem ser temperados apresentando pouca distorção. Microestrutura Pode ser fornecido já beneficiado, com dureza em torno de 300 HB. A estrutura original é ferrítica , que pode ser usinada, seguindo-se tratamentos de cementação e têmpera. Aplicações São utilizados em matrizes de fundição em baixa temperatura e em moldes para injeção ou compressão de plásticos. ELEMENTOS QUÍMICOS PRESENTES E SUA INFLUÊNCIA São basicamente aços de médio e alto teor de carbono com adições de elementos específicos em diferentes porcentagens para que sejam obtidas características especiais. O carbono aumenta a dureza do aço ferramenta, melhorando a resistência ao corte e ao desgaste. Outros elementos são adicionados para aumentar a tenacidade ou resistência mecânica. A TABELA ABAIXO MOSTRA DE FORMA SUCINTA A INFLUÊNCIA DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA NAS PROPRIEDADES DO AÇO. De acordo com a necessidade de utilização do material, diferentes elementos são incluídos para alcançar características específicas. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE AÇOS FERRAMENTAS O aço ferramenta pode ser produzido de diferentes formas. As duas mais comuns são a fundição do lingote e a metalurgia do pó. Entretanto uma tecnologia mais recente, denominada conformação por spray (spray forming) ou Osprey , já está disponível comercialmente. O desenvolvimento dos processos de metalurgia do pó e da conformação por spray se deu na década de 70. As diferenças metalúrgicas entre os três processos são o tamanho dos carbonetos e a distribuição na matriz. A distribuição dos carbonetos na estrutura do aço ferramenta: a) convencional - tamanho e distribuição heterogêneo; c) metalurgia do pó b) conformação por spray– carbonet. Processo convencional da Fundição do Lingote É o processo mais utilizado para a produção de aço ferramenta. O metal líquido é transferido para a panela onde a composição química final é ajustada e depois é vazado em lingotes. O molde é preenchido a partir do fundo. Depois da solidificação o lingote pode ser processado por forjamento ou laminação. O processo produz tamanho e distribuição não uniforme dos carbonetos. O tamanho típico dos carbonetos fica em torno de 25 microns. Processo da Metalurgia do Pó O processo da metalurgia do pó pode produzir diferentes ligas, inclusive não ferrosas. O metal líquido é atomizado pela ação de um gás inerte com alta velocidade, que transforma o metal líquido em gotículas. As partículas assim formadas caem através de uma torre de resfriamento, e solidificam. O pó resultante é coletado e transferido para uma cápsula, hermeticamente fechada. A cápsula é então aquecida até a temperatura de forjamento e forjado. Num processo denominado prensagem isostática a quente, a temperatura e a pressão comprimem a cápsula densificando o pó. A aplicação de gás inerte sob pressão e elevada temperatura garante a remoção de vazios internos, criando assim uma forte ligação metalúrgica através do material. Os lingotes resultantes podem ser laminados ou forjados. O processo cria carbonetos esferoidizados e uniformemente distribuídos com tamanhos em torno de 3 a 4 microns. Processo da conformação por spray Neste caso o atomizador possui dois bocais oscilantes. Gás inerte em alta velocidade flui através dos bocais transformando o metal líquido em gotículas. Durante a atomização as pequenas gotas (que são semi-sólidas) são coletadas numa pré-forma em formato de disco metálico e submetidas a giro e movimento ascendente. O controle do movimento da pré-forma e das condições de atomização produz billets com diâmetros de aproximadamente 50 cm e 250 cm de comprimento. Depois de um ciclo de tratamento térmico de recozimento, as barras podem ser processadas por laminação e forjamentopara obtenção de dimensões mais adequadas ao uso. Dimensões comerciais para os diâmetros vão de 25,4 mm a 35 mm de diâmetro e para barras chatas, de 15 a 25 mm de espessura por 13 a 45 mm de largura. A rápida solidificação das gotículas gera uma microestrutura de carbonetos circulares e uniformemente distribuídos com tamanhos na faixa de 10 microns. TRATAMENTOS TÉRMICOS DO AÇO FERRAMENTA PROCEDIMENTOS PARA TRATAMENTOS TÉRMICOS DE ENDURECIMENTO DOS AÇOS FERRAMENTA O endurecimento de aços-ferramenta por têmpera abrange meios de resfriamento, a saber: têmpera em água, têmpera em óleo, tempera em ar e técnicas especiais de interrupção de resfriamento. A seguir as características dos procedimentos para cada classe de aço ferramenta temperável: AÇO FERRAMENTA TEMPERÁVEL EM ÁGUA Procedimento: o aço é aquecido à temperatura usual de têmpera , 780 ºC em atmosfera neutra para evitar a descarbonetação. O meio de resfriamento é água fria ou solução salina a 10% para a máxima dureza. Agitação intensa é necessária para assegurar o resfriamento rápido, para evitar o aparecimento regiões moles. Com este procedimento a profundidade de endurecimento é de aproximadamente 3 mm. A espessura do endurecimento pode ser aumentada até aproximadamente 6 mm se a temperatura da têmpera for elevada para 870 ºC. Entretanto o aumento da temperatura de têmpera causa a perda de tenacidade. O processo é seguido por revenimento em temperatura de 150- 250ºC para obtenção da dureza desejada. AÇO FERRAMENTA TEMPERADO EM ÓLEO Procedimento: o aço é pré-aquecido a 650-700 ºC para equalização de temperatura antes do aquecimento até a temperatura de austenização. Este passo permite manter a estabilidade dimensional. Segue-se o aquecimento até 800-840 ºC para a têmpera. O meio de resfriamento é óleo. O revenimento é recomendado na faixa de temperaturas entre 170 e 200 ºC, que resulta em durezas acima de 60 HRC. O revenimento na faixa entre 250 e 300 ºC pode resultar em redução da resistência ao impacto. AÇO FERRAMENTA TEMPERÁVEL EM AR Procedimento: estes aços requerem pré-aquecimento adequado a 780 ºC antes da austenização. A têmpera é efetuada pelo resfriamento em convecção natural. Seções maiores devem ser resfriadas com jato de ar para obtenção de durezas maiores. Após o resfriamento até a temperatura de toque manual (50-60 ºC), o revenimento deve ser aplicado. Às vezes o revenimento múltiplo é necessário para que sejam atingidas a transformação completa da austenita e a máxima tenacidade compatível com a dureza. AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A QUENTE, TEMPERADO EM AR Estes aços podem ser endurecidos em seções com dimensões até 60 mm. Acima desta espessura, à medida que o endurecimento completo progride, ocorre a precipitação dos carbonetos nos contornos de grão que resulta na redução da vida da ferramenta e baixa resistência ao impacto. Procedimento: o procedimento mais indicado é a têmpera num forno de leito fluidizado ou em martêmpera (banho de sal mantido levemente acima da temperatura Ms). Isto permite que a taxa de resfriamento não atinja as áreas críticas da curva ‘S’ onde a precipitação dos carbonetos ocorre. A ferramenta equaliza sua temperatura no banho de têmpera e em seguida é removida e resfriada em ar até a temperatura de toque manual, para posterior revenimento. Os aços devem ser adequadamente pré-aquecidos em duas etapas a 650 ºC e 850 ºC antes da austenização a 1010 ºC. Como estes aços são sujeitos ao endurecimento secundário, a dureza máxima não é atingida antes do primeiro revenimento conduzido a 550 ºC. Revenimentos múltiplos subseqüentes são necessários para a completa transformação da austenita e obtenção da dureza de trabalho desejada. DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS USUAIS PARA O TRATAMENTO SUPERFICIAL DE AÇOS. Revestimentos superficiais para aços ferramenta. As técnicas de deposição de camadas para aços são inúmeras. No caso de aços ferramenta, elas são usadas para brocas, mandris, machos para rosca, ferramentas de fresar e matrizes. Os revestimentos são usados por diversos motivos , como: estética de acabamento, proteção à oxidação , endurecimento da superfície ou aumento da resistência ao desgaste. SELEÇÃO DE AÇOS PARA FERRAMENTAS E MATRIZES Os aços para ferramentas e matrizes são projetados para fins especiais que dependem da composição. Alguns aços ferramenta são projetados para produção de blocos de matrizes, alguns para moldes de produção e outros para trabalho a quente, e ainda outros para aplicações de corte de alta velocidade. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FERRAMENTA PELO TIPO DE APLICAÇÃO Existe uma classificação dos aços para ferramentas e matrizes de acordo com o tipo de trabalho a ser executado, frequentemente referenciado em textos técnicos. Reproduz-se abaixo esta classificação: Classe I - aços usados para ações de cisalhamento ou corte, como matrizes de corte, ferramentas de corte em geral, matrizes de conformação de blanks, matrizes de aparar etc... Classe II - aços usados na confecção de ferramentas para conformação de peças através de fluxo do material sob tração, por trabalho a frio ou a quente. Aqui se incluem matrizes de estampagem e dobramento, matrizes de forjamento etc... Esta classe inclui moldes para plásticos e moldes para fundição. Classe III - aços para trabalhos de transformação de materiais atuando na modificação da forma, sem mudança das dimensões originais. Incluem-se aqui matrizes de flexão, matrizes de dobramento e matrizes de torção. Classe IV - aço para matrizes que trabalham sob alta pressão e que produzem fluxo do metal ou outro material até a forma desejada, por efeito de compressão. Esta classe inclui matrizes de embutimento, de gravação, de recalque, de extrusão, de fendilhamento, etc... É importante ter suficiente informação a respeito da composição do material da ferramenta ou da matriz, do tipo de tratamento térmico usado e do tipo de trabalho que a ferramenta vai executar. PARÂMETROS A SEREM CONSIDERADOS NA SELEÇÃO DE UM AÇO FERRAMENTA Os parâmetros a considerar na seleção do melhor aço para uma determinada finalidade devem levar em conta um equilíbrio entre tenacidade, resistência ao desgaste e tensão limite de compressão (associada à dureza). Os aspectos de cada um destes fatores são apresentados abaixo: Tenacidade Resistência ao desgaste Tensão limite de compressão GRAFICO A tenacidade de um aço tende a decrescer com o aumento do teor de elementos de liga. A tenacidade é afetada também pelo processo de produção do aço. A metalurgia do pó em geral fornece tenacidade mais alta do que o processo convencional. Observe as diferenças na figura abaixo, para alguns aços ferramentas de uso comum. CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TRATAMENTOS SUPERFICIAIS E O AUMENTO DA DUREZA Os tratamentos superficiais tem o objetivo de prolongar a vida das ferramentas, como já visto. Estes tratamentos aumentam a dureza superficial e a resistência ao desgaste e reduzem o coeficiente de atrito. A dureza fornece uma indicação da resistência ao desgaste e lubrificidade para um dado tratamento. Tipos de tratamentos superficiais são portanto também considerados critérios de escolha. O processo PVD, por exemplo, pode aumentar a vida de uma ferramenta de precisão de aço rápido com alto teor de liga, mas não resolve o problema de desgaste de uma matriz com tolerâncias estreitas nem impede a flexão de punções submetidos a altas cargas. Tratamentos que produzem maiores valores de dureza , como o revestimento com carboneto de titânio e a difusão térmica produzem camadas superficiais mais espessas, mas exigem uma grande quantidade de calor, o que inviabiliza seu uso em muitas aplicações.
