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Definição, Propriedades, Tratamentos Térmicos e Classificação de Aços para Ferramentas
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Escola Superior de Tecnologia e Gestão, Instituto Politécnico de Leiria, Portugal;
Definição de Aços para ferramentas [ 1 ] Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens de carbono (C) que variam entre 0, 03 % e 2,11%. Os aços para as ferramentas são produzidos e processados para atingir um elevado grau de qualidade. Estão diretamente ligados à fabricação de matrizes, desde moldes, ferramentas de corte intermitente e contínuo, ferramentas para conformação de chapas, corte a frio, quente e componentes de máquinas. As operações que utilizam os aços ferramenta podem ser geralmente classificados nas seguintes categorias: corte, estampagem, forjamento, extrusão e laminação. Cada uma destas operações requer que o aço ferramenta apresente propriedades especiais. Estes podem ser aços carbono ou aços liga, capazes de serem endurecidos por têmpera, ou seja, adequados para serem transformados em ferramentas. A adequação de um aço ferramenta advém das suas propriedades diferenciadas de tenacidade, resistência à abrasão, capacidade de manter uma aresta de corte e respetiva resistência à deformação a temperaturas elevadas. O tipo de aço a ser utilizado carateriza-se por ter uma elevada dureza à resistência, ao desgaste e ter boa tenacidade, ou seja, mantém as propriedades de resistência mecânica, mesmo sobre o efeito da elevada temperatura. Estas caraterísticas adquirem-se com a adição de altos teores de carbono e ligas, tais como, o crómio, manganês, vanádio, molibdénio e tungsténio que permitem a sua utilização em condições de serviço cada vez mais severas. São por estas caraterísticas aços especiais que os levam a ter um custo elevado em comparação aos comuns, visto que são estes que formam os restantes materiais. Estes aços podem ser classificados segundo dois sistemas de classificação, UNS (Tabela
Aços Ferramenta para Trabalho a Frio (Temperáveis em Água)
Aços Ferramenta para Trabalho a Quente H Aços Ferramenta para Moldes P Aços Ferramenta Temperáveis em Água W Aços Ferramenta Resistentes ao Choque S Aços Rápido ao Molibdênio M Propriedades dos aços para ferramentas [ 1 ] Como estes aços têm diversas utilizações é necessário que para cada tarefa, o aço utilizado, possua características que apresentem capacidade de efetuar o trabalho com fiabilidade, segurança e sucesso. Em geral existem diversas propriedades desejáveis para os aços ferramenta, como por exemplo:
Propriedades químicas presentes e a sua influência [ 1 ] Todas as propriedades variam de aço para aço. Esta variação depende da composição química de cada material, querendo isto dizer que dependendo dos elementos de liga presentes na composição do aço, estes lhe proporcionam algumas das características atrás mencionadas. Dependo de cada elemento de liga que esteja presente no aço promove diversas características e propriedades. A tabela abaixo (Tabela 3) mostra de forma sucinta a influência dos principais elementos de liga nas propriedades do aço. Propriedades das principais ligas:
aços no estado temperado. O revenido pode ser realizado em fornos com circulação forçada de ar, ou em banhos de sais Recozimento: O recozimento permite efetuar um “ajuste” da estrutura do material, é possível para alterar o tamanho de grão do material com o objetivo de tornar o material mais homogéneo. Tratamentos Superficiais [ 1 ] A deterioração de superfícies é um assunto que requer muita atenção e investimento para a maioria das indústrias. Genericamente o desgaste pode ser resultado de impacto, erosão, contato metal-metal, abrasão, oxidação, corrosão, ou uma combinação destes fatores. Os efeitos do desgaste podem-se tornar muito dispendiosos. Em algumas aplicações as reparações podem ser feitas através de enchimentos com solda, utilizando metais especiais. É preferível, no entanto que a peça seja projetada, prevendo o tipo de desgaste a que estará exposta, evitando os elevados custos de manutenção. Para aplicações envolvendo aços ferramenta, são muito utilizados os tratamentos superficiais de endurecimento durante sua fabricação, reduzindo o avanço do desgaste e prolongando a vida útil da ferramenta. O endurecimento superficial é um processo que inclui uma grande variedade de técnicas e melhora a resistência ao desgaste sem alterar a parte interna do material, que pode ser mais macia. A vantagem do endurecimento superficial sobre o endurecimento profundo é que aços de baixo e médio carbono podem ser endurecidos sem apresentar problemas de distorções e fissuras associadas com o endurecimento profundo de secções espessas. Existem duas abordagens para os métodos de endurecimento superficial: métodos que envolvem a introdução intencional de uma nova camada e métodos que envolvem modificação da superfície e subsuperfície do substrato sem adição ou aumento das dimensões da peça. O primeiro grupo de métodos de endurecimento de superfície inclui o uso de filmes finos, camadas ou superposição soldada. Filmes, camadas e sobreposições são menos eficientes economicamente à medida que os volumes de produção aumentam, especialmente quando toda a superfície da peça deve ser endurecida. O desempenho à fadiga dos filmes, camadas e sobreposições são também um fator limitante, dependendo da resistência da ligação entre a camada adicionada e o substrato.
Apesar das limitações, o método é efetivo para algumas aplicações. Para aços ferramenta, revestimentos de TiN e Al2O3 são eficientes não só pela alta dureza, mas por sua passividade química, reduzindo o desgaste e a aderência de lascas na ferramenta. O segundo grupo de processos é dividido em processos de difusão e seletivos. Os processos de difusão modificam a composição química da superfície com elementos endurecedores como o carbono, nitrogénio ou boro. Os processos de difusão permitem o endurecimento de toda a superfície da peça e são utilizados para grandes volumes de produção. O processo seletivo, por outro lado, permite o endurecimento localizado da superfície e envolve em geral endurecimento por efeito térmico (aquecimento e arrefecimento), mas alguns métodos de endurecimento seletivo são baseados na modificação da composição química da superfície (nitruração seletiva, implantação iónica). O processo de difusão envolve a modificação química da superfície. O processo é termoquímico, porque algum calor é necessário para acelerar a difusão de elementos químicos nas regiões superficiais e subsuperfícies da peça. O métodos de tratamentos superficiais serão apresentados de seguida (Tabela 4): . Tabela 4 - Métodos de tratamento Superficiais Por deposição de camadas Por tratamento do substrato
Aplicação: São utilizados para ferramentas de corte em geral, brocas, alargadores, machos para roscar e fresas. Podem também ser utilizados para operações de conformação a frio como matrizes para corte de discos e laminadores de roscas.
(classe O); boa resistência à abrasão (classes A e D). A tenacidade mais alta ocorre para os aços da classe A. Microestrutura: na classe “A” são fornecidos em forma de matriz ferrítica com carbonetos esferoidizados, com dureza máxima de 240 HB. Na classe “O” fornecidos em forma de matriz ferrítica com carbonetos esferoidizados, com dureza máxima de 210 HB. E na classe “D” fornecidos contendo carbonetos primários e pequenos carbonetos esferoidizados em matriz de perlite e ferrite, com dureza máxima de 250 HB. Para a sua utilização é necessário temperá- los e reveni-los, apresentando estrutura martensítica revenida, com presença de carbonetos não dissolvidos na austenitização. No estado apenas temperado podem atingir a dureza máxima de 65 HRC. Aplicações: na classe “A” são utilizados para lâminas de corte, punções para corte de chapas e matrizes de aparar. Na classe “D” utilizados para ferramentas de forjamento e de estampagem profunda, calibres, rolos de laminação de roscas, ferramentas de abrasão e facas de corte. E na classe “O” utilizados para punções e matrizes aplicáveis a operações de corte de chapas, rebarbação, trefilação e forjamento.
Aços para moldes de polímeros O molde para este tipo de injeção deve estar sempre bem polido e com superfícies duras para o material não deslizar nem agarrar na superfície do molde. Os tipos de aços mais utilizados para transformação plástica têm designação de P20. A tabela seguinte (Tabela 5) apresenta a constituição do aço deste tipo de aço, realçando que a presença de crómio e níquel aumenta a tenacidade e dureza do aço P20. Tabela 5 - Composição do aço P Aços temperáveis em água - identificados pela letra W Os aços temperáveis em água contêm carbono como principal elemento de liga (0.70 a 1,5%). Têm baixa tensão de cedência em altas temperaturas. O crómio existente aumenta a temperabilidade e a resistência ao desgaste. O vanádio garante um grão fino que favorece a tenacidade. Estes aços apresentam características, microestrutura e aplicações idênticas aos aços- ferramentas para moldes. Riscos de produção Relativamente aos riscos de produção de aços, é uma área com alguns fatores que tornam a sua produção perigosa. Para a produção de aços com propriedades mecânicas desejáveis é necessário recorrer a diversos processos físicos e químicos para assim obter o produto final desejado. Ao longo da produção e transformação de aço existe exposição a temperaturas elevadas, libertação de gases tóxicos (de alguns tratamentos térmicos) o que é prejudicial para o trabalhador e para o meio ambiente.
Conclusão Com este trabalho conseguiu-se perceber a grande variedade de aços que existe no mercado trabalho, algumas das suas utilizações, bem como, uma visão bastante acentuada, no que toca aos tipos de aços segundo o tipo de maquinação feita, desde maquinação a quente e frio, aços para moldes e aços rápidos. Tem de se realçar a importância das ligas nestes tipos de aços, visto que são estas que vão dar as caraterísticas requeridas para um respetivo aço, tal como os tratamentos térmicos que existem, que conferem muitas propriedades ao aço. Finalmente, o aumento da qualidade das propriedades do aço faz com que o aço tenha um custo superior em relação aos aços comuns.
