Novos aços-ferramenta de terceira geração dobram e até triplicam a vida útil de ferramentas.


Os aços-ferramenta percorreram um longo caminho desde o lançamento do D2. Os avanços nos métodos de produção ajudaram a melhorar a qualidade dos aços e consequentemente o desempenho das ferramentas de estampagem, incluindo o DC53 desenvolvido na década de 80 e a geração mais recente, que inclui menos carbono e cromo e, portanto, menos carbonetos. Os testes de resistência à fadiga mostram que o DC53 tem uma vida útil 10 vezes mais longa do que o D2, e o aço com baixo teor de carbono de terceira geração, possui uma vida útil 10 vezes maior do que o DC53.

Em 1912, o aço-ferramenta para trabalhos a frio, o D2, foi introduzido no mercado inglês de construção de ferramentas. Naquela época, representava um grande avanço nas aplicações de ferramentas para trabalho a frio. Sua composição química permitiu atingir durezas de até 60 HRC por têmpera em banho de sal ou ao ar. O D2 era suficientemente resistente e mostrou boas propriedades de resistência ao desgaste para as aplicações da época.

Os avanços nos métodos de produção metalúrgica ajudaram a melhorar a qualidade dos aços e o subsequente desempenho das ferramentas. A composição química básica foi modificada para tentar prolongar a vida das ferramentas (ver Figura 1).

Figura 1 - Pesquisadores experimentaram diversas variações da composição básica do aço D2 na tentativa de prolongar a vida da ferramenta.

A falha inerente em todas as variações de composições químicas da série de aços "D", é que os altos teores de carbono e elementos de formação de carbonetos, especialmente o cromo, levaram à formação de carbonetos grandes, de forma irregular e não dissolvidos na matriz dos aços (ver Figura 2).

Figura 2: Microestrutura do aço D2, mostra grandes carbonetos

Esses carbonetos não dissolvidos ajudam apenas quanto à resistência ao desgaste. Eles reduzem a resistência ao impacto e a fadiga, atuando como um ponto de concentração de tensões. Visto sob ampliação, o gume de corte de uma ferramenta de D2 mostra pequenas falhas. Estas ocorrem como resultado da fadiga da matriz em torno do carboneto primário, o que faz com que o carboneto apareça. Isso proporciona áreas irregulares que podem propagar trincas resultando na quebra total do componente da ferramenta. Estes grandes carbonetos irregulares fazem com que os machos e matrizes de corte, desgastem rapidamente.

Além disso, a distorção dimensional no tratamento térmico é função da porcentagem de carbonetos no aço. À medida que o carboneto corre na direção de laminação, o crescimento é ainda maior, do que na direção ortogonal á direção de laminação.

No início da década de 1980, uma equipe de pesquisadores metalúrgicos no Japão, liderada pelo Dr. Kunio Namiki, começou a experimentar composições químicas para reduzir os problemas causados por carbonetos primários excessivos e irregulares. Outros fabricantes introduziram vários metais em pó para tentar superar esses problemas. Mas a equipe de pesquisadores japoneses determinou que os custos das ligas em pó e sua incapacidade de serem soldadas adequadamente, tornaram os aços inadequados comercialmente e buscou uma alternativa. Experimentaram as seguintes composições químicas:

0,6-1,43% de carbono (C) / 0,28-0,32% de silício (Si) / 0,4-0,43% de manganês (Mn) /

5,09-11,92% de cromo (Cr) / 0,97-1,01% de molibdênio (Mo) / 0,27-0,31% de vanádio (V).

Os pesquisadores concluíram que as seguintes composições químicas apresentaram a melhor combinação de dureza, resistência à fadiga, resistência ao impacto e resistência ao desgaste, além de favorecer os reparos por solda (ver Figura 3):

C 1% / Cr 8% / Mo 2% / V 0,28%

Figura 3 - Reduzir o carbono e o cromo na composição química do aço resultou em carbonetos reduzidos e uniformemente distribuídos. Como resultado, as matrizes do novo aço exibiram uma vida útil prolongada da ferramenta. Na esquerda, a ferramenta de D2 produziu 200 mil batidas antes de falhar e quebrar. A ferramenta à direita produziu 1.200.000 partes antes de apresentar falhas.

A redução dos carbonetos primários também tornou as operações de usinagem e retífica mais facilitadas e rápidas. Além disso, a liga melhorou a condições para trabalhos de conformação á quente, em relação ao D2. Isso resultou em endurecimento secundário pela precipitação de carbonetos muito finos na matriz. Os benefícios adicionais foram: menor concentração de tensões e estabilidade dimensional nas operações de usinagem por eletro-erosão (EDM), austenita retida reduzida e maior dureza de trabalho obtida (até HRC 64), em relação ao D2.

A nova série, denominada DC53, foi introduzida no mercado japonês em 1987. Em breve, a nova série de aços conseguiu milhares de toneladas anuais de participação dos mercados do D2 (SKD 11) e M2 (SKD51). O DC53 continua sendo o aço para trabalhos a frio, mais utilizado na indústria de conformação.

Aços-ferramenta para a conformação de aços de alta resistência (HSS)

Os padrões da indústria automotiva atual exigem que as montadoras aprimorem os veículos drasticamente para atingir metas cada vez mais exigentes em termos de durabilidade e emissões. Isso, combinado com a necessidade de um melhor gerenciamento da energia gerada em colisões, levou a um aumento dramático no uso de aços de alta resistência (HSS) para formar os componentes estruturais automotivos.

A conformação de aços de alta resistência (HSS) apresenta sérios desafios. Para conformar chapas de aço acima de 1.470 MPa, a estampagem a quente é o método recomendado atualmente. Mas o desgaste abrasivo e quebras ocorrem durante a conformação dos aços de baixa resistência (de 440 MPa para 1.470 MPa). Os revestimentos tais como a deposição física de vapor (PVD), a deposição química de vapor (CVD) e a difusão térmica (TD), devem ser aplicados aos aços de ferramentas para evitar o desgaste.

Os aços ferramenta da série DC53, melhorados com 8% de Cr / 2% Mo demonstraram manter sua dureza e são um bom substrato para suportar os vários revestimentos. No entanto, a equipe metalúrgica buscou desenvolver um aço duro que apoiaria bem os revestimentos, como o DC53, mas com uma resistência ao impacto ainda maior. Formularam então uma composição química para reduzir ainda mais os carbonetos primários não dissolvidos. A composição química em que chegaram foi 0,70% C / 7% Cr / 1,5% Mo / 0,15% V.

A primeira característica desta nova classe de aços de baixo teor de carbonetos, de terceira geração é sua microestrutura excepcionalmente fina.

Os aços de baixo-carbono de terceira geração não apresentam carbonetos primários, apenas carbonetos secundários finos, formados em endurecimento secundário a têmperas de alta temperatura (ver Figura 4). As pequenas manchas escuras são partículas formadas por manganês e uma pequena quantidade de enxofre, o que resulta em uma melhoria dramática na usinabilidade em comparação com o D2.

Figura 4 - A fórmula dos aços baixo carbono de terceira geração não apresenta carbonetos primários, embora os carbonetos secundários finos se formem durante o endurecimento secundário, resultando em um aço melhor que DC53 e D2.

Uma segunda característica dos aços baixo-carbono de terceira geração, é o seu maior grau de dureza (61-62 HRC) do que pode ser obtido com o D2 (58-59 HRC) quando temperado a 500 ° C. Isso suporta melhor os revestimentos PVD. Se a temperatura do revestimento for superior a 500 ° C, elevar a temperatura de têmpera (entre 520 C e 540 C) ainda mantém a dureza do aço entre 59 -61 HRC para um excelente suporte do revestimento.

Uma terceira característica dos aços baixo carbono de terceira geração é sua estabilidade dimensional. Temperado a 500 C, a mudança dimensional é um encolhimento moderado de 0 a -0,05 %. Quando temperado a temperaturas mais elevadas, o crescimento dimensional é de +0.05 a +0.10 por cento.

Curiosamente, o crescimento dimensional é quase o mesmo na direção do grão que na direção perpendicular ao grão. Isto é atribuído à ausência de carbonetos primários. O aço DC53 com 8 por cento de cromo crescerá dimensionalmente mais na direção do grão do que perpendicular á ele. O D2 terá ainda mais variação dimensional.

Dois outros fatores que o aço de baixo teor de carbono melhorou em relação aos seus predecessores, estão na resistência ao impacto e a fadiga. Sua resistência ao impacto se aproxima a da S7. O teste de resistência à fadiga com um teste de curvatura rotativo com cargas semelhantes, mostra o DC53 com vida útil mais longa por um fator de 10 vezes a vida de D2, e o aço baixo carbono de terceira geração, tem uma vida útil de 10 vezes maior do que o DC53.

Um caso de sucesso

Quando uma grande montadora estava tentando selecionar um aço ferramenta para estampar partes em HSS, para uma mudança significativa em um de seus modelos, seus testes finais apontaram para o aço baixo carbono de terceira geração e um aço ao cromo, com 8%, com as seguintes composições químicas:

C 1 / Si 1,5 / Mn 0,4 / Si 0,05 / Cu 0,35 e Ni 0,45; Cr 8 / Mo 0,9 / V 0,1 / Al 0,4

O D2 foi incluído no teste como um aço para controle comparativo.

O teste foi executado em chapas de HSS, com 1,6 mm de espessura e 440-MPa. Cada parte de uma matriz de corte quadrada foi feita de um aço diferente. Duas partes eram D2, uma era de aço baixo carbono de terceira geração e a quarta parte era de aço com 8 por cento de cromo. A ferramenta foi colocada em serviço e executou 1,5 milhão de partes antes da inspeção (veja a imagem abaixo).

Testes com ferramentas de D2, um aço com baixo teor de carboneto de terceira geração e um aço de cromo / enxofre de 8% foram executados para 1,5 milhões golpes. Tanto o D2 quanto o bloco de aço com 8 por cento de crómio, apresentaram falhas no gume de corte da matriz. O aço de baixo teor de carbono de terceira geração estava intacto mesmo após os testes serem repetidos com e sem revestimentos PVD.

Após 1,5 milhão de peças produzidas, tanto o D2 quanto o aço com 8 % de cromo falharam, enquanto o aço baixo carbono de terceira geração estava intacto. Os resultados foram repetidos, tanto com e sem revestimentos PVD.

O aço baixo carbono de terceira geração foi selecionado para todas as ferramentas.

Tom Schade

Technical Sales Consultant IM Steel

www.imsteel.com

Livremente traduzido do original www.thefabricator.com, por Sérgio Del Bianco.

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