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1. Aços para
Ferramentas e
Matrizes
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2. Matriz aberta
Matriz fechada
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3. Características fundamentais dos aços para
ferramentas e matrizes:
• Dureza à temperatura ambiente: a dureza da ferramenta ou matriz deve
ser superior à dureza da peça sobre a qual exercerão sua ação de corte,
usinagem ou conformação. A dureza depende essencialmente do teor de
carbono. A maioria das ferramentas e matrizes, tais como ferramentas de
corte, matrizes para estampagem profunda, etc., é usada à máxima
dureza que se pode obter.
•Resistência ao desgaste: requisito muito importante, pois o desgaste
pode causar falhas em muitos tipos de ferramentas. O carbono é o
elemento de maior influência; nos aços altamente ligados, os elementos
de liga podem influir, devido à dureza e à distribuição dos carbonetos que
se formam.
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4. Temperabilidade: requisito indispensável, pois uma maior penetração
de dureza garante perfeita uniformidade de características mecânicas
em seções apreciáveis. Nos aços-carbono comuns, é difícil alcançar
alta profundidade de endurecimento: uma pequena adição de cromo
resultará em temperabilidade completa. O aumento do teor de
elementos de liga tem a tendência de diminuir a diferença de dureza
entre a superfície e o centro e permite a utilização de meios mais
brandos de têmpera.
Resistência mecânica: elevada resistência mecânica é indispensável,
pois os aços para ferramentas e matrizes devem apresentar a
capacidade de suportar esforços estáticos sem o aparecimento de
falhas ou de deformação permanente.
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5. Dureza à quente: característica altamente desejável em certos aços
para ferramentas e matrizes, utilizados em altas temperaturas, devido
ao calor das próprias condições de serviço ou ao que se desenvolve
durante as operações de usinagem; é a propriedade que os aços
podem apresentar de reter alta dureza a temperaturas elevadas (da
ordem de 600°C para os aços rápidos).
Fundamental para os "aços rápidos" e os "aços de matrizes para
trabalho a quente";
A composição química do aço é fator determinante dessa característica,
sendo os elementos responsáveis diretamente por essas propriedades,
o tungstênio em primeiro lugar, o molibdênio a seguir, o cobalto, o
cromo e o vanádio.
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6. Usinabilidade: não se pode associar propriedades como alta dureza e
resistência ao desgaste à uma usinabilidade satisfatória. A
usinabilidade é tanto menor quanto maior o teor de elementos de liga,
visto que se forma um apreciável número de carbonetos duros.
Fatores que possibilitam os requisitos dos aços
para ferramentas e matrizes:
• Composição química;
• Tratamento térmico.
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7. Principais elementos de liga presentes nos aços para ferramentas e
matrizes: carbono, silício, manganês, cromo, vanádio, tungstênio,
molibdênio e cobalto.
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%.
Silício - geralmente em teores baixos (0,10 a 0,30%), é adicionado
como desoxidante; se dissolve na ferrita.
Manganês - também desoxidante (até 0,5%) e dessulfurante. Em
teores mais elevados, melhora a temperabilidade apreciavelmente. A
adição de cerca de 1,60% de Mn em aço-carbono com 0,90% C,
permite a têmpera em óleo.
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8. 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.
Teores muito variados, desde baixos até muito altos; 5% de cromo,
juntamente com 1% de molibdênio compõem um aço endurecível ao ar.
O cromo pode atingir teores de 11,0% a 14,00%, com carbono também
elevado (1,50% a 2,20%): notável resistência ao desgaste e são
temperáveis em óleo ou ao ar.
Também nos aços rápidos, encontra-se cromo em torno de 4%: junto
com tungstênio e vanádio - objetivo aumentar a temperabilidade e a
dureza a quente.
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9. 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-o. Os carbonetos que
forma são muito estáveis, mesmo a temperaturas elevadas o que resulta
na melhora da dureza a quente do aço.
Tungstênio - é essencialmente um formador de carbonetos, melhorando a
dureza do aço à temperatura ambiente. 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 (capacidade de retenção da dureza até temperaturas da ordem de
600°C), grande importância nas operações de corte a alta velocidade ou
de conformação a altas temperaturas.
O tungstênio é o elemento mais eficiente na "dureza a quente", a
obtenção desta característica é mais efetiva ainda quando se adiciona
juntamente com ele, molibdênio, cobalto, vanádio ou cromo, em
combinação de dois, três ou mais desses elementos: formação de um
carboneto complexo (Fe,W,Cr,V)6C.
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10. Cobalto - utilizado somente em alguns tipos de aços (certos aços
rápidos); aumenta a dureza a quente e diminui a temperabilidade.
Molibdênio - 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.
Tratamento térmico
Em todos os aços não comuns, o seu tratamento térmico constitui
talvez a mais importante fase de fabricação; 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.
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11. As temperaturas empregadas nos tratamentos térmicos dos aços para
ferramentas e matrizes abrangem a mais larga faixa, dentre todos os
produtos metalúrgicos: as mais elevadas são aplicadas nos aços
rápidos e tornam os aços suscetíveis de adquirirem granulação
grosseira.
Essas elevadas temperaturas não podem ser evitadas porque é
necessário garantir completa solução dos carbonetos complexos
existentes nesses tipos de aços, no ferro gama.
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, ar, etc.
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12. A faixa de temperaturas de revenido nos aços para ferramentas e
matrizes é muito extensa. Os aços-carbono ou contendo baixo teores
de elementos de liga são freqüentemente revenidos a temperaturas
relativamente baixas, da ordem de 120 a 350°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°C ou 650°C.
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13. Classificação dos aços para ferramentas e matrizes
(AISI-SAE)
•Aços temperáveis em água (W);
•Aços resistentes ao choque (S);
•Aços ferramenta para moldes (P);
•Aços ferramenta para trabalho a frio (O, A, D);
•Aços ferramenta para trabalho a quente (H);
•Aços rápidos (T e M).
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14. Aços Temperáveis em água
aços tenazes e resistentes à abrasão;
para obter estas propriedades trabalha-se com o teor de
carbono (%C entre 0,50 a 1,40);
Aços carbono simplesmente, ou com pequenas adições de
cromo e vanádio;
0,5%-0,6%C muito tenaz; 0,8%C boa tenacidade; 1,2%C
grande dureza aliada a certa tenacidade; 1,4% C grande
dureza.
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15. Aplicações:
C até 0,75% - martelos, ferramentas de ferreiro, etc. –
grande tenacidade, dureza conveniente;
C de 0,75% a 0,9% - punções, lâminas de tesoura, matrizes
para estampagem profunda, etc. – superfície dura com
considerável tenacidade;
C de 0,9% a 1,10% - fresas, mandris, matrizes para corte,
limas, etc. – grande dureza;
C de 1,1% a 1,4% - ferramentas de tornos, plainas, brocas,
matrizes para estiramento, etc. – máxima dureza.
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17. 17

18. Tratamento térmico
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19. Razões pelas quais os aços-carbono ainda desempenham um papel
importante na indústria de ferramentas são, entre outras, as
seguintes:
- custo mais baixo que os outros materiais para ferramentas;
- disponibilidade mais fácil;
- usinabilidade melhor;
- na têmpera, utilizam um meio de resfriamento simples e de grande
disponibilidade (água), que permite atingir durezas da ordem de 65
Rockwell C.
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20. Aços para trabalho a frio
Estes aços são recomendados, em peças que exigem cuidadoso controle
dimensional, como matrizes para trabalho a frio.
De um modo geral, são indicados para matrizes de estampagem,
forjamento, corte, punções, matrizes para compressão de pós metálicos,
etc.
Apresentam alto teor de carbono, o qual pode chegar, para os tipos mais
altamente ligados (com 12% de cromo), a 2,35% e teores de elementos
de liga desde valores relativamente baixos até valores elevados.
Sua temperabilidade é geralmente elevada e apresenta elevada
resistência ao choque; a resistência ao calor é regular e a usinabilidade
varia de pequena a boa.
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21. Segundo classificação AISI e SAE, tem-se 4 grupos:
• de baixa liga e temperáveis em óleo (grupo O);
• de média liga e temperáveis ao ar (grupo A);
• de alta liga e temperáveis em óleo ou ao ar(grupo D).
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22. Grupo O
As durezas finais de serviço variam de 57 a 62 Rockwell C para os
tipos 01 e 02 e de 58 a 64 para o tipo 07.
As principais aplicações dos aços desse grupo são: matrizes de
corte, matrizes de conformação, punções, pequenas lâminas de
tesouras, serras circulares, brocas e matrizes de estiramento.
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23. Grupo A
São aços caracterizados por apresentarem grande capacidade de
endurecerem ao ar, de modo que são indicados para aplicações em
matrizes de forma complicada que devem manter sua forma inalterada
após a têmpera e o revenido.
Caracterizam-se ainda por boa resistência ao desgaste e regular
tenacidade, portanto aplicáveis em matrizes de corte, conformação e
estiramento.
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24. 24

25. Grupo D
São caracterizados por altos teores de carbono e de cromo; têm
excelente resistência ao desgaste: numerosos carbonetos de cromo
duros, e portanto são aços de grande utilidade no emprego em
matrizes.
O alto teor de cromo presente confere resistência à oxidação a altas
temperaturas, muito mais acentuada do que nos aços ao carbono ou
contendo baixos teores de elementos de liga.
As aplicações são feitas em: matrizes de corte, matrizes de
cunhagem, matrizes para estampagem profunda, matrizes para
estiramento e trefilação, matrizes de conformação, punções, matrizes
para extrusão, etc.
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26. 26

27. Aços Resistentes ao Choque
Podem ser divididos em três grupos: ao Cr-V, sendo L2, o tipo
representativo; ao Si, representado pelos tipos S2, S4 e S5 e ao W, sendo
S1 o tipo representativo.
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28. Possuem tenacidade de muito boa a excelente, com regular resistência ao
desgaste; aplicações sujeitas a choque: punções, ferramentas pneumáticas,
talhadeiras, etc.
L2 é empregado onde se exige alta resistência mecânica e elevada
tenacidade, sendo a resistência ao desgaste secundária;
Os tipos ao silício (S2, S4 e S5) apresentam tenacidade ligeiramente
superior;
O tipo ao W é o que apresenta a melhor resistência ao desgaste.
O tipo ao Cr-V é o que apresenta a menor temperabilidade.
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29. Aplicações:
• L2 são empregados em chaves inglesas, lâminas de tesoura,
talhadeiras, eixos propulsores, dispositivos de aperto, matrizes para
forjamento em matriz, mandris, matrizes para fundição sob pressão
de metais e ligas de baixo ponto de fusão;
• S2 a S5 são empregados em talhadeiras, manuais ou
pneumáticas, punções, cortadores de carvão, lâminas de tesoura,
matrizes de cunhagem, etc.
• S1 são aplicados em ferramentas resistentes ao choque para uso
tanto a frio como a quente, tais como talhadeiras quer manuais,
quer pneumáticas, lâminas de tesoura para corte a frio e a quente,
brocas de concreto, punções, ferramentas de ferreiro, brocas de
rocha, etc.
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30. Aços para trabalho a quente
Propriedades mais importantes são:
— resistência à deformação, às temperaturas de trabalho;
— resistência ao choque, tanto de natureza mecânica como de
natureza térmica;
— resistência à erosão, às temperaturas de serviço;
— resistência à deformação, durante o tratamento térmico;
— usinabilidade.
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31. 31

32. Os tipos ao Cr-Mo (H11, H12, H13 e H15) são os mais utilizados,
devido sua extraordinária resistência ao choque, principalmente
quando é necessário resfriar as matrizes em serviço com água ou
outro fluido de resfriamento.
Aplicações típicas desses aços: matrizes para fundição sob pressão,
matrizes de forjamento, punções, mandris para trabalho a quente,
ferramental para extrusão a quente, lâminas de tesoura para corte a
quente, e todos os tipos de matrizes para trabalho a quente que
envolvam a aplicação de choque.
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33. Os tipos de aços ao Cr-W (H14 e H16) caracterizam-se por conterem os
mesmos teores de cromo e de tungstênio.
Aplicações típicas desses aços: matrizes de extrusão de aço, cobre ou
latão, moldes permanentes para fundição de latão, punções para
trabalho a quente, dispositivos de aperto de matrizes, etc.
Tais aços foram criados para tirar proveito dos efeitos benéficos, tanto do
tungstênio como do cromo.
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34. Os tipos ao W são os que apresentam a melhor dureza a quente,
dentre todos os tipos de aços para trabalho a quente, somente
sendo superados nesse sentido por alguns aços rápidos.
São aplicados onde os requisitos exigidos são máxima resistência
a quente e resistência ao amolecimento a altas temperaturas,
sendo a resistência ao choque relativamente secundária.
Aplicações típicas desses aços incluem matrizes de extrusão para
latão, bronze e aço, matrizes para prensagem a quente, matrizes
para forjamento a quente, punções para trabalho a quente, etc.
Os tipos Mo (H41, H42 e H43), desenvolvidos durante a guerra devido
à carência de tungstênio, são os menos usados dentre os
considerados.
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35. Aços Rápidos
Principais tipos de aços utilizados em ferramentas, devido às suas
características de alta dureza no estado temperado e retenção da
dureza a temperaturas em que o gume cortante da ferramenta se torna
vermelho, devido ao calor gerado na operação de usinagem.
Todos os tipos de aço rápido contêm cromo e vanádio.
Sua característica principal é a capacidade de operar em
velocidades e outras condições de corte que podem elevar a
temperatura do gume cortante da ferramenta a cerca de 550°C-
600°C, durante a operação de usinagem.
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36. Nessas temperaturas, esses aços retêm a dureza que lhes permite
ainda continuar na operação de usinagem; ao resfriar, após realizada
essa operação readquirem a dureza original.
Essa característica é chamada "dureza a quente" e constitui a mais
importante propriedade dos aços rápidos.
Além disso, devido ao alto teor de carbono e ao elevado teor de
elementos de liga formadores de carbonetos, forma-se um elevado
número de carbonetos de liga, o que confere ao aço uma resistência
ao desgaste superior a de outros tipos de aços para ferramentas,
tornando sua durabilidade maior.
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