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: [email protected].
2)
Engenheiro Metalurgista, Mestre em Engenharia Metalúrgica, Supervisor de Assessoria Técnica da
Villares Metals S. A., Sumaré - SP, Brasil, e-mail: [email protected].
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. Destacamse 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 resistência a
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
47
Temperatura = 600ºC
45
Dureza (HRC)
DIN 1.2365
43
VHSUPER
41
TENAX 300
39
37
H11
35
H13
33
0,1
1
10
100
Tempo (h)
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)
460 HV (~ 46 HRC)
260 HV (~ 24 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)
Energia de Impacto sem
entalhe,
1990
UnnotchedNADCA
Impact Energy
(J).
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].
400
360 J
350
300
250
200
150
100
50
60 J
,
0
HeatAntes
Treated
do Tool
(as-received)
Retratamento
Sample,
Apósafter
annealing and new
retratamento
heat treating
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)
1400
Perfil de dureza inicial
1200
Região de Trabalho
Região de trabalho
Região não aquecida
Dureza (HV 0.2)
1000
800
600
400
200
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Distäncia da Superfícies (mm)
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.