Forjamento de aço ferramenta: classes, métodos e parâmetros de processo

Forjamento de aço ferramenta é o processo de moldagem de ligas de aço ferramenta sob alta força compressiva - normalmente entre 1.900°F e 2.200°F (1.040°C–1.200°C) —para produzir matrizes, punções, ferramentas de corte e componentes estruturais com propriedades mecânicas superiores. Em comparação com alternativas usinadas ou fundidas, as peças forjadas de aço para ferramentas oferecem tenacidade, resistência à fadiga e consistência dimensional significativamente maiores, tornando o forjamento a rota de fabricação preferida para aplicações de ferramentas de alto estresse.

Esteja você adquirindo peças brutas para uma matriz para trabalho a frio ou selecionando um método de forjamento para um punção para trabalho a quente, entender como o processo interage com classes específicas de aço para ferramentas é essencial para obter o desempenho que você precisa.

Por que forjar aço para ferramentas?

Os aços-ferramenta podem ser usinados a partir de barras ou produzidos por metalurgia do pó, portanto a escolha de forjar é deliberada - impulsionada por requisitos de desempenho que outros métodos não conseguem atender totalmente.

O forjamento rompe e redistribui as redes de metal duro que se formam durante a solidificação. Em aços-ferramenta de alta liga, como D2 ou M2, as bandas de metal duro fundidas podem reduzir a tenacidade transversal em 30–50% em comparação com um tarugo devidamente forjado e trabalhado. O trabalho mecânico também fecha a porosidade interna, alinha o fluxo dos grãos com a geometria da peça e produz uma estrutura de grãos refinada que responde de forma mais previsível ao tratamento térmico.

Em termos práticos, uma inserção de matriz H13 forjada normalmente durará mais que um equivalente usinado por um fator de 1,5–3× em aplicações de fundição sob pressão de alta pressão, dependendo da severidade do ciclo térmico.

Classes comuns de aço para ferramentas e suas características de forjamento

Nem todos os aços para ferramentas são forjados da mesma maneira. O conteúdo da liga, o nível de carbono e o tipo de metal duro afetam a forjabilidade e a janela de processo necessária.

D2, com seu ~12% de cromo e 1,5% de teor de carbono , está entre os aços para ferramentas mais difíceis de forjar. O alto volume de carbonetos de cromo requer reduções pesadas e controladas para quebrar a rede de carboneto eutético. Forjar D2 abaixo de 1.850°F corre o risco de rachar; acima de 1.975°F há risco de derretimento incipiente nos limites do metal duro.

Métodos de forjamento usados para aço ferramenta

A escolha do método de forjamento afeta o fluxo do grão, o acabamento superficial, as tolerâncias e a quantidade de usinagem pós-forja necessária.

Forjamento em matriz aberta (Smith)

O forjamento em matriz aberta usa matrizes planas ou de formato simples para trabalhar um tarugo aquecido através de uma série de compressões incrementais. É o método mais flexível e a abordagem padrão para a produção de peças brutas de aço para ferramentas, grandes blocos de matrizes e formatos personalizados que serão usinados com acabamento.

• Adequado para tarugos de alguns quilos até várias toneladas
• Permite controle total sobre a taxa de redução e direção de trabalho
• Taxa de redução mínima de 4:1 normalmente necessário para quebra adequada de metal duro em classes de alta liga
• Usado pela maioria dos produtores de aços especiais para produção padrão de barras redondas, quadradas e planas

Forjamento em matriz fechada (matriz de impressão)

No forjamento em matriz fechada, o material aquecido é prensado entre as metades da matriz combinadas que contêm uma cavidade que corresponde ao formato da peça acabada. Este método produz peças forjadas com formato quase perfeito, com fluxo de grãos controlado e tolerâncias dimensionais restritas - normalmente ±0,010 a ±0,030 polegadas em dimensões críticas.

O forjamento em matriz fechada é usado para punções, pastilhas e componentes de ferramentas menores, onde o volume justifica o investimento em ferramentas. Para aços para ferramentas, a própria vida útil da matriz se torna uma preocupação – as matrizes de impressão H13 são comumente usadas para forjar outros tipos de aço para ferramentas em temperaturas elevadas.

Laminação Rotativa (Anel) e Forjamento Radial

Para componentes cilíndricos, como anéis, buchas ou barras redondas, os métodos de forjamento rotativo proporcionam refinamento contínuo do grão circunferencial. O forjamento radial prensa um tarugo redondo simultaneamente em múltiplas direções, produzindo microestruturas muito uniformes em barras redondas ou hexagonais. Este método é amplamente utilizado para produzir barra redonda de aço rápido (HSS) para cortar peças brutas de ferramentas.

Forjamento Isotérmico

O forjamento isotérmico aquece a peça e as matrizes à mesma temperatura, eliminando a queda de temperatura que causa resfriamento superficial e rachaduras em ligas difíceis de forjar. É menos comum para aços para ferramentas devido ao custo do equipamento, mas é usado para aços para ferramentas HSS de classe aeroespacial e para metalurgia do pó que possuem janelas de trabalho a quente extremamente estreitas.

Parâmetros críticos do processo a serem controlados

Acertar a metalurgia durante o forjamento de aço ferramenta requer um controle rígido de diversas variáveis interdependentes.

Pré-aquecimento e temperatura de imersão

Os aços ferramenta devem ser aquecidos lenta e uniformemente para evitar choque térmico. Um protocolo típico de pré-aquecimento para um bloco H13 grande:

1. Aqueça até 1.200°F (650°C) e segure até que a temperatura se equalize através da seção transversal
2. Rampa para temperatura de forjamento em ≤200°F/hora (110°C/hora)
3. Mergulhe na temperatura de forjamento por um mínimo de 1 hora por polegada de espessura

Apressar a imersão leva a um núcleo frio, que produz deformação irregular e pode iniciar rachaduras internas durante a prensagem.

Temperatura de acabamento de forjamento

O trabalho deve ser concluído acima da temperatura mínima de acabamento para evitar o endurecimento do aço em condições frágeis. Para a maioria dos aços ferramenta, o forjamento não deve continuar abaixo 1.750°F (955°C) . Se a peça cair abaixo desse limite, ela deverá ser devolvida ao forno em vez de forçada a reduções adicionais.

Taxa de redução

A taxa de redução (seção transversal inicial ÷ seção transversal acabada) impulsiona a quebra do metal duro e o refinamento do grão. Os padrões da indústria para peças forjadas de aço ferramenta normalmente exigem:

• Mínimo 3:1 para classes resistentes ao choque e endurecedoras à água (S7, W1)
• Mínimo 4:1 a 6:1 para classes de trabalho a frio (A2, D2)
• Mínimo 6:1 ou superior para aços rápidos (M2, T1) para quebrar adequadamente redes eutéticas de metal duro

Resfriamento após forjamento

Os aços-ferramenta devem ser resfriados lentamente após o forjamento para evitar rachaduras causadas por tensões de transformação. A prática comum é enterrar o forjamento em areia seca, vermiculita ou cal isolante, ou colocá-lo diretamente em um forno a uma temperatura 1.100–1.200°F (595–650°C) para um resfriamento lento e controlado até a temperatura ambiente. O resfriamento a ar é aceitável apenas para as classes mais tolerantes, como S7, em seções transversais pequenas.

Recozimento após forjamento

O forjamento endurece o aço ferramenta e bloqueia as tensões residuais. Antes de qualquer usinagem ou tratamento térmico, as peças forjadas de aço ferramenta devem ser recozidas para:

• Amolecer o aço até uma dureza usinável (normalmente HB 180–250 dependendo da nota)
• Aliviar tensões residuais de forjamento
• Produza uma microestrutura uniforme de metal duro esferoidizado para resposta ideal ao tratamento térmico

Um recozimento de esferoidização completo para aço ferramenta D2, por exemplo, envolve segurar em 1.600°F (870°C) por 2–4 horas e, em seguida, reduza o resfriamento do forno em ≤25°F/hora (14°C/hora) abaixo de 1.000°F (540°C). Ignorar ou encurtar esta etapa geralmente leva a rachaduras ou distorções durante o endurecimento.

Defeitos comuns em peças forjadas de aço para ferramentas e como evitá-los

Forjamento de aço ferramenta vs. metalurgia do pó: sabendo quando escolher cada um

Os aços-ferramenta para metalurgia do pó (PM), produzidos por atomização e sinterização de pós de liga, oferecem uma distribuição de metal duro extremamente uniforme que o forjamento sozinho não consegue alcançar em classes de alta liga. Classes PM como CPM 3V, CPM M4 ou Vanadis 4 Extra tornaram-se alternativas populares ao D2 ou M2 forjado convencionalmente para aplicações exigentes.

No entanto, o forjamento ainda apresenta vantagens claras em vários cenários:

• Custo: A barra de aço para ferramentas forjada convencionalmente é normalmente 30–60% mais barato do que notas PM equivalentes
• Grandes seções transversais: A disponibilidade da barra PM é limitada em seções pesadas; blocos de aço para ferramentas forjados são rotineiramente produzidos em tamanhos superiores a 24 polegadas
• Formas personalizadas: O forjamento em matriz aberta pode produzir pré-formas com formato quase final que reduzem o desperdício de material em grandes blocos de matrizes
• Desempenho comprovado: Forged H13, A2 e S7 possuem décadas de dados de desempenho em campo em praticamente todas as aplicações de ferramentas

PM é a melhor escolha quando a tenacidade em todas as direções é crítica, o teor de vanádio excede ~3–4% (tornando o forjamento convencional impraticável) ou quando a aplicação exige a melhor estrutura de metal duro. Para a maioria das ferramentas pesadas, o aço para ferramentas convencional adequadamente forjado continua sendo a solução mais econômica .

Fornecimento e verificação de qualidade

Ao comprar aço para ferramentas forjado, as principais práticas de garantia de qualidade incluem:

• Certificações do moinho: Solicitar análise química (certificado térmico) e, quando disponível, resultados de testes mecânicos (tração, impacto) do calor de forjamento
• Teste ultrassônico (UT): Crítico para grandes blocos de matrizes; ASTM A388 é o método UT padrão para peças forjadas de aço e pode detectar vazios internos ou segregação acima dos limites de aceitação especificados
• Classificação da rede de carboneto: Para classes de alta liga, os fornecedores devem ser capazes de fornecer ou providenciar inspeção metalográfica confirmando a distribuição adequada de metal duro de acordo com um padrão de aceitação definido (por exemplo, SEP 1520 para bandas de metal duro)
• Verificação de dureza recozida: Uma leitura de dureza Brinell no recebimento confirma que o material foi recozido adequadamente e está dentro da faixa esperada para a classe

Fornecedores respeitáveis de aço para ferramentas, como Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology e Crucible Industries (para graus PM), fornecem certificações de produtos padronizadas, mas a verificação independente é aconselhável para programas de ferramentas de segurança crítica ou de alto volume.