Aços & Ligas | Aços e Ferros Fundidos | Aços para Ferramentas e Matrizes

Os requisitos ou característicos exigidos por esses tipos de aços comprovam a sua complexidade e os problemas que os produtores e os usuários têm de enfrentar para possibilitar o seu emprego nas melhores condições.

Em princípio, dois são os fatores que fundamentalmente possibilitam o atendimento das exigências de qualidade dos aços considerados:

- composição química;

- tratamento térmico.

3.1 – Composição química

Os principais elementos de liga presentes nos aços para ferramentas e matrizes são os seguintes: carbono, silício, manganês, cromo, vanádio, tungstênio, molibdênio e cobalto. Sua ação é a seguinte:

- carbono – é o elemento essencial, pois é ele, por intermédio dos carbonetos que se formam, que confere dureza e resistência ao desgaste; seu teor é geralmente alto – em torno do eutetóide ou acima – podendo atingir, em alguns casos, valores superiores a 2%. Em outros casos, desejam-se valores abaixo do eutetóide, quando os característicos de ductibilidade e tenacidade são mais importantes do que os de dureza e resistência ao desgaste, por exemplo, em ferramentas sujeitas a golpes, como martelos, ferramentas de ferreiro, certas matrizes, etc.; nelas, o teor de carbono é, no máximo, de 0,60%/0,70%.

- silício – geralmente em teores baixos (0,10 a 0,30%), é adicionado como desoxidante; como se dissolve na ferrita e tende a decompor os carbonetos, nunca é usado isoladamente como elemento de liga, a não ser que se procure propositadamente a formação da grafita (aços grafíticos); portanto, quando há necessidade de um teor de silício mais elevado, adiciona-se também elementos estabilizadores de carbonetos, tais como molibdênio e cromo;

- manganês – também desoxidante (até 0,5%) e dessulfurante. Em teores mais elevados, melhora a temperabilidade apreciavelmente. O efeito do manganês neste sentido é tão grande, que a adição de cerca de 1,60% de Mn em aço-carbono com 0,90%C, permite a têmpera em óleo;

- cromo – adicionado principalmente para aumentar a temperabilidade, tornando, com o Mn, o aço temperável em óleo. Aumenta a resistência ao desgaste porque aumenta a dureza. Devido sua ação simultânea na ferrita, que reforça, o aumento da dureza é realizado sem prejudicar sensivelmente a ductilidade. O cromo é encontrado nos aços para ferramentas e matrizes, nos teores os mais elevados, desde baixos até muito altos; 5% de cromo, juntamente com 1% de molibdênio (177) compõem um aço com característicos de temperabilidade apreciável, endurecível ao ar, de muita utilidade para certas matrizes. O cromo pode atingir teores de 11,0% a 14,0%, com carbono também elevado (1,50% a 2,20%). Os aços correspondentes possuem notável resistência ao desgaste e são temperáveis em óleo ou ao ar. Também nos aços rápidos, encontra-se em torno de 4% - juntamente com tungstênio e vanádio – os quais, nos mesmos, têm por objetivo aumentar a temperabilidade e a dureza a quente;

- vanádio – desoxidante e controlador do tamanho de grão. Forma carbonetos estáveis e melhora a temperabilidade dos aços. O principal efeito é impedir o crescimento do grão, refinando-os. Os carbonetos que forma são muito estáveis, mesmo a temperaturas elevadas, o que resulta não só no impedimento do crescimento do grão, como também na melhora da dureza a quente do aço. Sua adição nos aços-carbono para ferramentas não é geralmente superior a 0,50%, normalmente 0,25%-0,35%. Sua ação nesses aços é refinar e uniformizar o grão (178). Como os carbonetos de vanádio não se dissolvem na austenita a temperaturas normais de tratamento térmico, eles constituem pontos de nucleação da perlita. Portanto, o tamanho de grão menor e as numerosas partículas de carboneto reduzem a temperabilidade do aço. Entretanto, se a temperatura de tratamento térmico for aumentada, os carbonetos de vanádio se dissolvem, resultando então em aumento da temperabilidade. Assim sendo, quando há suficiente quantidade de carboneto de vanádio presente, esse efeito pode ser combinado com a tendência das partículas de carboneto prevenirem crescimento de grão, de modo a resultar em aços de granulação fina com simultâneos característicos de média a profunda temperabilidade. Assim, um aço para ferramenta contendo 1,00% de carbono e 0,40% a 0,50% de vanádio comumente usado para certas matrizes para trabalho a frio pode ser temperado em água ou salmoura a partir de temperaturas de 790 a 980 graus C (178) sem perigo de aparecerem fissuras. Nos aços rápidos, o vanádio pode entrar em teores até 4,00-4,50%, sobretudo com o objetivo de melhorar a capacidade de corte e a dureza a quente, porque, como já se mencionou, os seus carbonetos são muito estáveis a altas temperaturas;

- tungstênio – é essencialmente um formador de carbonetos, melhorando a dureza do aço à temperatura ambiente. Em teores até cerca de 1,50% em aços de alto carbono, melhora ligeiramente a resistência ao desgaste. Até cerca de 4,00%, com aproximadamente 1,30% de carbono, o aço já adquire apreciável resistência ao degaste, a ponto de , no estado temperado, ser difícil de retificar. Tungstênio mais elevado – entre 12% e 20% - sobretudo juntamente com o cromo, confere a mais importante propriedade dos aços para ferramentas e matrizes: dureza a quente, isto é, capacidade de retenção da dureza até temperaturas da ordem de 600 graus C, propriedade de grande importância nas operações de corte a alta velocidade ou de conformação a altas temperaturas. Ainda que o tungstênio seja o elemento mais eficiente na “dureza a quente”, a obtenção deste característico é mais efetiva quando se adiciona juntamente com o tungstênio, molibdênio, cobalto, vanádio ou cromo, em combinação de dois, três ou mais desses elementos. Seu efeito explicar-se-ia pela formação de um carboneto complexo (Fe, W, Cr, V)6C que precipita da martensita e subseqüente coalesce muito lentamente a temperaturas abaixo de 600 graus C, assim retendo a dureza do aço essas temperaturas (179).

- cobalto – utilizado somente em alguns tipos de aços (certos aços rápidos); aumenta sua dureza a quente, aparentemente devido ao seu efeito direto na resistência e dureza a quente da matriz do aço (179). Diminui a temperabilidade, mas esse efeito não é muito significativo nos aços para ferramentas onde é adicionado, visto que, nos mesmos, os outros elementos existentes aumentam a temperabilidade de tal modo a torná-los endurecíveis ao ar.  Os aços com cobalto são sujeitos à descarbonetação, de modo que precauções especiais são necessárias durante o seu aquecimento para o tratamento térmico;

- molibdênio – dissolve-se na ferrita e tende também a formar carbonetos; contribui no sentido de melhorar a “dureza a quente”, além de aumentar a resistência e a ductilidade. Muito ativo no sentido de melhorar a temperabilidade. Seu uso mais importante é como substituto parcial do tungstênio. A prática mostra que a metade da quantidade de molibdênio, em relação ao tungstênio, produz resultados comparáveis; por exemplo: 6%Mo + 5%W equivaleriam a cerca de 18% de W.

Em resumo, como já se sabe e especificamente no caso dos aços para ferramentas:

- os elementos de liga produzem menor empenamento durante a têmpera, porque aumentam a endurecibilidade dos aços e permitem o emprego de meios de resfriamento menos drásticos, o que se traduz em menores tensões de natureza térmica. Esse fato é importante no caso particular dos aços para ferramentas, devido às peças serem muitas vezes de natureza complexa com arestas finas;

- os elementos de liga conferem maior resistência à abrasão à mesma dureza porque formam carbonetos duros, estáveis e resistentes ao desgaste, os quais são em maior quantidade, à medida que aumentam os teores de carbono e de elementos de liga;

- os elementos de liga conferem maior tenacidade à mesma dureza, em secções menores, porque conferem granulação mais fina, diminuem as tensões internas (devido a menores velocidades de resfriamento) e, além disso, ao permitir o emprego de maiores temperaturas de revenido, sem prejudicar a dureza final, aliviam de modo mais pronunciado as tensões internas;

- finalmente, os elementos de liga permitem a obtenção de maiores dureza e resistência a temperaturas elevadas, devido à relutância dos carbonetos de liga coalescerem quando sujeitos às condições de serviços das ferramentas.

A Tabela 75 (180) mostra os principais elementos de liga adicionados nos aços para ferramentas e matrizes, na sua ordem aproximada de potencialidade para conferir os característicos principais a esses aços.

Tabela 75 – Habilidade dos elementos de liga em conferir certos característicos aos aços para ferramentas e matrizes

3.2 – Tratamento térmico

Em todos os aços não comuns, o tratamento térmico constitui talvez a mais importante fase de fabricação, pois é ele que irá determinar a estrutura e as propriedades finais, de acordo com as condições e as necessidades de serviço. Tal fato cresce de importância nos aços para ferramentas e matrizes, devido às condições extremamente especiais de serviço e utilização desses materiais e devido, nos tipos altamente ligados, à complexidade de sua composição química e estrutura.

As temperaturas empregadas nos tratamentos térmicos dos aços para ferramentas e matrizes abrangem a mais larga faixa, dentre todos os produtos metalúrgicos, desde temperaturas da ordem de 1320 graus C. As mais elevadas são aplicadas nos aços rápidos e tornam os aços suscetíveis de adquirirem granulação grosseira, a não ser que cuidados especiais sejam tomados. Essas elevadas temperaturas não podem ser evitadas porque é necessário garantir completa solução dos carbonetos complexos existentes nesses tipos de aços, no ferro gama. As precauções normais para evitar excessivo crescimento de grão consistem em dividir o aquecimento em duas etapas, a primeira das quais consiste num preaquecimento entre 700 e 870 graus C. Às vezes, recomenda-se um duplo preaquecimento: num primeiro forno entre 540 e 650 graus C e num outro, entre 845 e 870 graus C (181), havendo finalmente a transferência ao forno à temperatura final de aquecimento.

Os aços-carbono para ferramentas, principalmente com os mais elevados teores de carbono, são os mais difíceis para temperar, já que os tempos de transferência à esquerda do cotovelo das curvas TTT são os mais curtos. Por outro lado, esses aço, assim como aqueles que possuem também molibdênio e cobalto são os que mostram maior tendência à descarbonetação superficial. Sendo a descarbonetação mais prejudicial nesses aços do que em outros tipos, é necessário que precauções já conhecidas para evitar tal fenômeno sejam rigorosamente seguidas no seu tratamento térmico. A própria adoção do aquecimento em duas etapas contribui para diminuir a tendência à descarbonetação, pelo menor tempo que o material fica exposto às temperaturas mais elevadas.

No que se refere ao resfriamento observa-se também nos aços para ferramentas e matrizes todas as velocidades comercialmente disponíveis de resfriamento, como salmoura, água, óleo, banho de sal, ar, etc. Do mesmo modo, a temperatura do meio de esfriamento pode variar grandemente, desde as temperaturas dos meios mais drásticos como água e salmoura até as temperaturas dos banhos de sal, que podem atingir 540 a 590 graus C. Na têmpera, podem ocorrer deformações e são os aços-carbono para ferramentas os mais suscetíveis a esses fenômenos, devido à temperatura mais drástica a que são submetidos com o objetivo de obter durezas mais altas. Nesses aços, a têmpera drástica origina ainda tensões internas muito elevadas, o que torna o revenido final uma operação muito importante.

A faixa de temperaturas de revenido nos aços para ferramentas e matrizes é muito extensa. Os aços-carbono ou contendo baixos teores de elementos de liga são freqüentemente revenidos a temperaturas relativamente baixas, da ordem de 120 a 350 graus C, ao passo que os aços rápidos e os aços para trabalho a quente podem ser revenidos a temperaturas muito elevadas da ordem de 600 ou 650 graus C. Por outro lado, é freqüente, em certos tipos desses aços, a necessidade de mais um revenido, sobretudo daqueles aços em que, após a têmpera, a estrutura consiste em martensita tetragonal altamente ligada, austenita retida igualmente ligada a carbonetos complexos não dissolvidos. Esses aços no estado temperado são extremamente duros, frágeis, em estado de elevadas tensões e muito instáveis. O revenido múltiplo alivia as tensões internas, a fragilidade e a instabilidade sem prejudicar a dureza. Durante o aquecimento para esse revenido, o aço desenvolve a “dureza secundária”, da mesma ordem de grandeza que a dureza original no estado temperado. Convém observar ainda que o revenido dos aços para ferramentas e matrizes é comumente realizado logo após a têmpera, para permitir o alívio imediato das tensões internas, que são muito elevadas na maioria desses aços no estado temperado. Finalmente, o revenido pode ser realizado em fornos com circulação forçada de ar, ou em banhos de sal ou de chumbo.

Maiores pormenores sobre o tratamento térmico dos aços para ferramentas e matrizes serão abordados quando da sua descrição.