Que materiais tornam as matrizes de estampagem robustas e precisas? As matrizes de estampagem requerem elevada durabilidade e precisão, e materiais como o aço, o carboneto e várias ligas desempenham um papel fundamental. Este artigo explora os prós e os contras do aço-carbono para ferramentas, do aço rápido e de materiais inovadores como o carboneto ligado ao aço. Saiba como cada material afecta o desempenho e a longevidade das matrizes de estampagem e compreenda qual é o mais adequado para as suas necessidades específicas de fabrico. Mergulhe no essencial dos materiais de estampagem e optimize o seu processo de produção.
Os materiais utilizados na produção de matrizes de estampagem incluem aço, carboneto cimentado, carboneto cimentado ligado a aço, ligas à base de zinco, ligas de baixo ponto de fusão, bronze de alumínio e materiais poliméricos.
Atualmente, o principal material utilizado para o fabrico de matrizes de estampagem é o aço. Os materiais normalmente utilizados para as peças de trabalho dos cunhos e cortantes incluem o aço-carbono para ferramentas, o aço de baixa liga para ferramentas, o aço de alto carbono com elevado teor de crómio ou o aço de crómio médio para ferramentas, o aço de liga de carbono médio, o aço de alta velocidade, o aço de base, a liga dura e a liga dura ligada ao aço.
Os aços-ferramenta ao carbono, como o T8A e o T10A, são amplamente utilizados no fabrico de moldes devido à sua excelente maquinabilidade e rentabilidade. Estes aços contêm normalmente 0,7% a 1,3% de carbono, proporcionando um bom equilíbrio entre dureza e tenacidade após o tratamento térmico. As suas caraterísticas de processamento favoráveis permitem uma maquinagem, retificação e polimento eficientes, tornando-os adequados para uma vasta gama de aplicações de moldes.
No entanto, os aços-carbono para ferramentas têm limitações que devem ser consideradas na conceção e produção de moldes:
Apesar destas desvantagens, os aços-carbono para ferramentas continuam a ser uma opção viável para muitas aplicações de moldes, particularmente para pequenas séries de produção, processos de moldagem a baixa temperatura ou quando a substituição frequente de moldes é economicamente viável. Para atenuar algumas limitações, podem ser aplicados tratamentos de superfície como a nitruração ou a cromagem dura para melhorar a resistência ao desgaste e a dureza da superfície.
O aço para ferramentas de baixa liga é uma variante avançada do aço para ferramentas de carbono, concebido com elementos de liga cuidadosamente selecionados para melhorar as suas propriedades mecânicas e metalúrgicas. Esta classe de aço contém normalmente 1-5% de elementos de liga totais, que melhoram significativamente as suas caraterísticas de desempenho em comparação com os aços-ferramenta ao carbono simples. A adição de elementos como o crómio, o tungsténio, o manganês, o vanádio, o níquel e o molibdénio em proporções precisas resulta num material que apresenta uma temperabilidade superior, resistência ao desgaste e estabilidade dimensional durante o tratamento térmico.
Em contraste com o aço-carbono para ferramentas, o aço de baixa liga para ferramentas oferece várias vantagens importantes:
No fabrico de moldes são normalmente utilizados vários tipos de aços de baixa liga, cada um deles adaptado a aplicações específicas:
Ao selecionar um aço para ferramentas de baixa liga para o fabrico de moldes, factores como o tamanho do molde, a complexidade, o volume de produção e as condições de funcionamento devem ser cuidadosamente considerados para otimizar o desempenho e a longevidade.
Os aços para ferramentas com elevado teor de carbono e crómio, como o Cr12, Cr12MoV e Cr12Mo1V1 (AISI D2), são amplamente utilizados na indústria de ferramentas devido às suas propriedades excepcionais. Estes materiais apresentam uma excelente temperabilidade, uma resistência superior ao desgaste e alterações dimensionais mínimas após o tratamento térmico. A sua capacidade de carga é inferior apenas à dos aços rápidos, o que os torna ideais para aplicações de alta tensão em operações de conformação e corte de metais.
A superior resistência ao desgaste destes aços resulta do seu elevado teor de carbono (normalmente 1,4-2,2%) e de níveis significativos de crómio (11-13%), que formam carbonetos duros durante o tratamento térmico. Estes carbonetos, principalmente os carbonetos de crómio, contribuem para as excelentes propriedades de resistência à abrasão e de retenção de arestas do aço.
No entanto, um desafio notável com estes aços é a sua tendência para a segregação de carbonetos durante a solidificação e o processamento primário. Esta segregação pode levar a propriedades mecânicas anisotrópicas e a um desempenho global reduzido. Para atenuar este problema, os fabricantes recorrem a uma série de tratamentos termomecânicos, incluindo operações repetidas de reviramento e estiramento. Este processo, que envolve o revolvimento axial e a estiragem radial, ajuda a quebrar as redes de carboneto, a refinar a microestrutura e a obter uma distribuição mais uniforme do carboneto em todo o material.
A otimização da distribuição de carbonetos através destes processos melhora significativamente o desempenho do aço, melhorando a sua tenacidade, maquinabilidade e consistência geral. Isto é particularmente crucial para aplicações de ferramentas de precisão, onde a estabilidade dimensional e as caraterísticas de desgaste uniforme são fundamentais.
Ao selecionar e processar estes aços para ferramentas, é essencial considerar os requisitos específicos da aplicação, os protocolos de tratamento térmico e a potencial necessidade de tratamentos de superfície avançados, como a nitruração ou os revestimentos PVD, para melhorar ainda mais o seu desempenho em ambientes exigentes.
Os aços para ferramentas com elevado teor de carbono e crómio médio, como o Cr4W2MoV, o Cr6WV e o Cr5MoV, são amplamente utilizados no fabrico de moldes devido às suas propriedades superiores. Estas ligas contêm normalmente 0,5-1,5% de carbono e 4-6% de crómio, atingindo um equilíbrio ótimo entre dureza e tenacidade. A sua composição resulta numa microestrutura caracterizada por carbonetos finamente dispersos numa matriz de martensite temperada.
As principais vantagens destes aços incluem:
Estas propriedades tornam os aços para ferramentas com alto teor de carbono e crómio médio particularmente adequados para moldes de injeção, matrizes de fundição e outras aplicações de ferramentas que requerem uma combinação de resistência ao desgaste, tenacidade e estabilidade dimensional. Quando corretamente tratados termicamente, estes aços podem atingir níveis de dureza de 58-62 HRC, mantendo a dureza adequada para a maioria das aplicações de moldes.
O aço rápido (HSS) destaca-se como a primeira escolha entre os aços para moldes e matrizes, oferecendo uma dureza, resistência ao desgaste e resistência à compressão sem paralelo. A sua excecional capacidade de suporte de carga torna-o ideal para aplicações de alta tensão no fabrico de ferramentas e moldes. Os tipos de HSS mais utilizados no fabrico de moldes são:
Para otimizar a microestrutura e as propriedades mecânicas, o aço rápido requer um tratamento térmico cuidadoso e beneficia frequentemente de processos de forjamento. O forjamento melhora a distribuição dos carbonetos, refina a estrutura do grão e melhora o desempenho geral. Este passo é crucial para alcançar todo o potencial do material em termos de resistência ao desgaste, tenacidade e estabilidade dimensional em aplicações de moldes.
A seleção da classe de HSS adequada depende dos requisitos específicos do molde, do volume de produção e das considerações de custo. Embora o HSS ofereça um desempenho superior, é importante equilibrar o seu custo mais elevado com a vida útil esperada da ferramenta e as melhorias de produtividade no projeto do molde e nos processos de fabrico.
Os aços de base representam uma classe avançada de aços para ferramentas concebidos através da modificação cuidadosa da composição dos aços rápidos (HSS) através de um ajuste preciso da liga e do teor de carbono. Esta otimização metalúrgica melhora as suas caraterísticas de desempenho global. Estes aços mantêm os principais atributos dos HSS, oferecendo simultaneamente uma melhor resistência ao desgaste, dureza, resistência à fadiga e tenacidade.
A combinação única de propriedades dos aços de base torna-os particularmente adequados para aplicações de moldes para trabalho a frio. Oferecem um perfil equilibrado de elevada resistência e tenacidade, crucial para suportar as tensões cíclicas e os impactos encontrados nos processos de conformação de metais. Nomeadamente, os aços de base constituem uma alternativa económica aos tradicionais aços rápidos, oferecendo um desempenho comparável a um custo de material inferior.
Vários tipos de aços de base ganharam proeminência no fabrico de matrizes:
Estes tipos de aço de base oferecem aos fabricantes de matrizes uma gama de opções para satisfazer os requisitos de aplicações específicas, equilibrando factores como a resistência ao desgaste, a tenacidade e a rentabilidade em operações de trabalho a frio.
Os carbonetos cimentados, particularmente os compostos de carboneto de tungsténio-cobalto (WC-Co), oferecem uma dureza e uma resistência ao desgaste superiores às dos aços para moldes convencionais. Estas propriedades tornam-nos inestimáveis em aplicações de elevado desgaste na indústria de moldagem. No entanto, a sua resistência à flexão e tenacidade relativamente baixas requerem uma consideração cuidadosa na conceção e aplicação da matriz.
O desempenho dos carbonetos cimentados pode ser adaptado através do ajuste do teor de cobalto:
Os desenvolvimentos recentes na tecnologia de carboneto cimentado incluem:
Ao selecionar carbonetos cimentados para aplicações de moldagem, tenha em consideração:
Embora os carbonetos cimentados ofereçam um desempenho excecional em termos de desgaste, a sua implementação requer frequentemente considerações de design especializadas, tais como geometrias de alívio de tensões e técnicas de pré-tensão adequadas, para atenuar a sua fragilidade inerente e otimizar a sua longevidade em ambientes de moldagem exigentes.
O carboneto cimentado ligado ao aço é um material composto avançado produzido através de técnicas sofisticadas de metalurgia do pó. Este material inovador utiliza pó de ferro como ligante primário, reforçado com elementos de liga cuidadosamente selecionados, tais como crómio, molibdénio, tungsténio e vanádio. A fase dura é constituída por carboneto de titânio (TiC) ou carboneto de tungsténio (WC), o que confere ao compósito uma resistência ao desgaste e uma dureza excepcionais.
A matriz de aço neste material oferece uma combinação única de propriedades que aborda as limitações dos carbonetos cimentados tradicionais. Ao aproveitar a ductilidade e a tenacidade do aço, os carbonetos cimentados ligados ao aço superam a fragilidade e os desafios de processamento associados aos carbonetos cimentados convencionais. Isto permite uma vasta gama de opções de processamento secundário, incluindo corte, soldadura, forjamento e tratamento térmico, aumentando significativamente a versatilidade do material em aplicações de fabrico.
Embora a dureza e a resistência ao desgaste dos carbonetos cimentados ligados a aço sejam ligeiramente inferiores às dos carbonetos cimentados tradicionais, continuam a superar substancialmente os aços convencionais nestes aspectos. A microestrutura do material, caracterizada por uma elevada concentração de carbonetos uniformemente dispersos na matriz de aço, contribui para as suas propriedades mecânicas superiores. Após processos de tratamento térmico optimizados, incluindo têmpera e revenido, a dureza dos carbonetos cementados ligados a aço pode atingir uns impressionantes 68 a 73 HRC (escala Rockwell C), tornando-os adequados para aplicações resistentes ao desgaste exigentes.
A combinação única de dureza, resistência ao desgaste e processabilidade torna os carbonetos cimentados ligados ao aço particularmente valiosos em indústrias como a mineira, a do petróleo e do gás e a da maquinaria pesada, onde os componentes são sujeitos a ambientes abrasivos e erosivos severos, exigindo geometrias complexas ou modificações pós-fabricação.
Nas matrizes de estampagem, os materiais macios referem-se a aços com uma dureza de aproximadamente HRC 35. Exemplos comuns incluem o aço 45#, A3 e Q235. Estes materiais possuem uma dureza relativamente baixa e são valorizados pela sua boa resistência ao impacto e maquinabilidade.
Principais caraterísticas dos materiais macios em ferramentas de prensagem:
Os materiais duros das matrizes de estampagem são aços de alta resistência com uma dureza de HRC 58 a 62 ou superior após tratamento térmico. Exemplos comuns incluem o Cr12, Cr12Mo1V1, Cr12MoV, SKD-11, SKD-51 e W6Mo5Cr4V2 (aço de tungsténio).
Principais caraterísticas dos materiais duros em ferramentas de prensagem:
A seleção entre materiais macios e duros na conceção de ferramentas de prensagem depende da função específica do componente, da resistência ao desgaste necessária e dos objectivos gerais de desempenho da ferramenta. A seleção ideal de materiais e os processos de tratamento térmico são cruciais para alcançar o equilíbrio desejado entre dureza, tenacidade e resistência ao desgaste em componentes de ferramentas de estampagem.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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