H11 vs H13 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

H11 e H13 são dois aços para ferramentas de trabalho a quente amplamente utilizados em indústrias que requerem ferramentas para operar em temperaturas elevadas, como fundição em molde, extrusão, forjamento e estampagem a quente. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura enfrentam rotineiramente o dilema da seleção entre compromissos de desempenho ligeiramente diferentes: tenacidade e resistência ao choque térmico versus dureza a quente e resistência a fadiga térmica e desgaste a longo prazo. A escolha afeta a vida útil da ferramenta, os intervalos de manutenção, os parâmetros de processamento (pré-aquecimento, têmpera) e o custo total de propriedade.

A principal distinção técnica entre H11 e H13 reside em seu equilíbrio de resistência a altas temperaturas e resistência ao ciclo térmico (fadiga térmica). O H13 tende a ser favorecido onde a dureza a quente sustentada e a resistência à fadiga térmica são críticas; o H11 é frequentemente escolhido onde uma tenacidade e ductilidade ligeiramente superiores são necessárias e onde a resistência a trincas sob choque mecânico intenso é priorizada. Essas diferenças decorrem de suas estratégias de liga e das microestruturas resultantes após o tratamento térmico.

1. Normas e Designações

• Normas e designações internacionais comuns:
• AISI/SAE: H11, H13
• DIN/EN: 1.2343 (H11), 1.2344 (H13) — comumente referenciados na literatura europeia
• JIS: SKD5, SKH? (varia por país e mapeamento exato de grau)
• GB (China): designações equivalentes de aço para ferramentas de trabalho a quente

• ASTM/ASME: referem-se às especificações relevantes de aço para ferramentas e formas de produtos

• Classe de material:

• Tanto H11 quanto H13 são aços para ferramentas destinados a aplicações de trabalho a quente (aço para ferramentas de trabalho a quente). Eles não são inoxidáveis ou HSLA. Eles são aços de cromo-molibdênio-vanádio, ligados, endurecíveis por ar ou óleo, projetados para estabilidade térmica.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

As porcentagens exatas variam por norma e produtor, mas os dois graus compartilham uma estratégia comum de liga para trabalho a quente — carbono moderado, cromo significativo, além de molibdênio e vanádio para fornecer resistência à têmpera, capacidade de endurecimento e fortalecimento por carbonetos. Para evitar citar intervalos numéricos proprietários, a tabela abaixo caracteriza a presença/papel típico de cada elemento.

Como a liga afeta o comportamento: - O carbono define principalmente a dureza alcançável após a têmpera e a têmpera e influencia a capacidade de endurecimento. O aumento do carbono aumenta a dureza potencial e a resistência ao desgaste, mas reduz a tenacidade e a soldabilidade. - O cromo aumenta a capacidade de endurecimento, a resistência a altas temperaturas e a resistência à oxidação/escala — importante para o trabalho a quente. - O molibdênio e o vanádio formam carbonetos estáveis que melhoram a resistência à têmpera (retenção de dureza após exposição a temperaturas elevadas) e influenciam a resistência à fadiga térmica. - Dispersões finas de carbonetos de vanádio ajudam a impedir a iniciação e o crescimento de trincas sob carregamento térmico cíclico.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura típica: - Tanto H11 quanto H13 são processados para produzir uma matriz martensítica temperada com carbonetos de liga dispersos (carbonetos de Cr, Mo, V). A têmpera produz martensita; a têmpera alivia tensões e permite que os carbonetos precipitem e se estabilizem.

Resposta ao tratamento térmico e rotas: - Normalização: Usada para refinar a estrutura do grão e homogeneizar seções pesadas antes da têmpera. Ajuda a produzir uma resposta de dureza uniforme. - Têmpera: Os meios de têmpera típicos são óleo ou gás controlado; a temperatura de austenitização e a taxa de resfriamento controlam a fração final de martensita e austenita retida. Ambos os graus requerem controle cuidadoso para evitar trincas. - Têmpera: Múltiplos ciclos de têmpera a temperaturas correspondentes à temperatura de serviço produzem o equilíbrio desejado de dureza, tenacidade e estabilidade térmica. A têmpera estabiliza a martensita e precipita carbonetos de liga (Mo, V, Cr). - Processamento termo-mecânico: O forjamento e a laminação controlada seguidos de normalização podem refinar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade; ambos os aços respondem positivamente a tais rotas, mas requerem resfriamento controlado para manter a capacidade de endurecimento.

Nota comparativa: - O equilíbrio de liga do H13 é otimizado para reter maior dureza em temperaturas elevadas (melhor resistência à têmpera), e sua distribuição de carbonetos favorece a resistência à fadiga térmica e ao desgaste em temperaturas de trabalho a quente. - O H11 é ajustado ligeiramente mais para tenacidade e ductilidade em massa, mantendo boa resistência a quente; sua microestrutura pode ser ajustada para maior tenacidade à fratura em matrizes de forjamento a quente de impacto pesado.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades exatas dependem fortemente do tratamento térmico, do tamanho da seção e da temperatura de têmpera. A tabela abaixo fornece propriedades comparativas qualitativas sob condições típicas de trabalho a quente temperadas.

Interpretação: - O H13 geralmente oferece melhor retenção de dureza em temperaturas elevadas e muito boa resistência à fadiga térmica e desgaste a quente. O H11 tende a fornecer ligeiramente melhor tenacidade à fratura em massa e ductilidade, o que o torna atraente onde o choque mecânico e o risco de trincas catastróficas são maiores.

5. Soldabilidade

A soldabilidade dos aços para ferramentas de trabalho a quente é limitada em relação aos aços de baixa liga — pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e tratamento térmico pós-solda (PWHT) são geralmente necessários para evitar trincas e recuperar as propriedades exigidas.

Fatores-chave: - O carbono e o controle efetivo da capacidade de endurecimento controlam a suscetibilidade a trincas a frio. Ambos os graus têm carbono médio e liga significativa; são considerados “soldáveis com precauções.” - Microligação (Mo, V, Cr) aumenta a capacidade de endurecimento e eleva o risco de formação de martensita na HAZ; isso aumenta o risco de trincas sem o pré-aquecimento e PWHT adequados. - O uso de metais de enchimento correspondentes ou superdimensionados e PWHT apropriado é comum para soldagem de reparo para restaurar tenacidade e resistência à têmpera.

Fórmulas empíricas úteis para avaliação de soldabilidade: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (preditor para equivalente carbono-manganês e sensibilidade a trincas de solda): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Valores mais altos de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ indicam maior risco de HAZ martensítica dura e propensa a trincas e, portanto, requisitos mais rigorosos de pré-aquecimento e PWHT. Tanto H11 quanto H13 geralmente requerem pré-aquecimento intermediário a alto e têmpera pós-solda devido ao seu conteúdo de liga.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, H11 ou H13, é aço inoxidável; a resistência à corrosão é limitada em comparação com graus inoxidáveis. Para proteção, práticas comuns incluem pintura, revestimentos à base de solvente, galvanização (onde apropriado para a forma da peça) ou tratamentos de superfície locais.
• Opções de engenharia de superfície para aumentar a vida útil e resistência à corrosão/desgaste:
• Nitruração ou nitrocarbonetação ferrítica (controle cuidadoso do processo é necessário para aços para ferramentas para evitar superaquecimento).
• Revestimento duro de cromo ou revestimentos PVD/CVD para superfícies de ferramentas (reduz adesão e desgaste).
• Revestimentos de spray térmico para resistência extrema ao desgaste ou oxidação.
• PREN (número de equivalência de resistência à picada) não é relevante para H11/H13 não inoxidáveis na seleção prática: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice se aplica a ligas inoxidáveis; os níveis típicos de Cr em H11/H13 são insuficientes para categorizá-los como aços inoxidáveis resistentes à corrosão.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade:
• Na condição de recozido/acabado, ambos os graus são razoavelmente usináveis usando ferramentas de carboneto; a usinabilidade piora após o tratamento térmico (condição endurecida).
• O H13, com sua microestrutura resistente à têmpera, pode ser ligeiramente mais abrasivo nas ferramentas devido aos finos carbonetos de vanádio.
• Desbaste e EDM:
• Ambos respondem bem à usinagem por descarga elétrica (EDM) para ferramentas duras, mas requerem têmpera subsequente para recuperar propriedades após zonas afetadas pelo calor do EDM.
• Formabilidade:
• A conformação a frio é limitada; a conformação a quente e o forjamento controlado são comuns no processamento de barras/forjamento. O H11 pode ser preferido onde mais ductilidade é necessária antes do tratamento térmico final.
• Acabamento de superfície:
• Ambos aceitam desbaste, polimento e revestimento convencionais; prepare as superfícies cuidadosamente para evitar tensões residuais que possam promover trincas por fadiga térmica.

8. Aplicações Típicas

Raciocínio de seleção: - Escolha H13 quando a aplicação envolver altas temperaturas de superfície, ciclos térmicos repetidos e contato abrasivo — a resistência à têmpera e a estrutura de carbonetos do H13 melhoram a vida útil sob fadiga térmica e desgaste. - Escolha H11 quando o risco primário for choque mecânico, cargas brutas pesadas ou quando uma ductilidade/tenacidade ligeiramente maior for necessária para evitar falhas frágeis.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo:
• Tanto H11 quanto H13 são aços para ferramentas de trabalho a quente de commodity; os preços variam com os mercados globais de ligas. O H13 é mais comumente usado em todo o mundo, o que pode torná-lo ligeiramente mais econômico em alguns mercados devido à escala e à maturidade da cadeia de suprimentos.
• Variantes especiais ou barras premium de fusão a vácuo aumentam o custo de qualquer um dos graus.
• Disponibilidade por forma de produto:
• Ambos estão prontamente disponíveis em barras, chapas, forjados e blanks de ferramentas pré-endurecidos de grandes distribuidores de aço. O H13 tende a ter maior disponibilidade industrial e um ecossistema maior de fornecedores e know-how em soldagem/tratamento térmico.

10. Resumo e Recomendação

Recomendação: - Escolha H13 se suas ferramentas estiverem expostas a altas temperaturas de serviço, ciclos térmicos repetidos (fadiga térmica) ou requerem superior resistência ao desgaste a quente (por exemplo, fundição em molde, extrusão, estampagem a quente). - Escolha H11 se sua aplicação priorizar maior tenacidade à fratura em massa e ductilidade para resistir ao choque mecânico e carregamento de impacto pesado (por exemplo, matrizes grandes de forjamento sujeitas a golpes pesados), e onde uma dureza a altas temperaturas ligeiramente inferior é aceitável.

Nota prática final: Para ferramentas críticas, especifique procedimentos claros de tratamento térmico (pré-aquecimento, austenitização, meio de têmpera, cronograma de têmpera), considere os efeitos da espessura da seção e planeje a manutenção (recondicionamento, procedimentos de soldagem) com seu tratador térmico e fornecedor. Ensaios e monitoramento de modos de falha no início da vida (trincas por fadiga térmica vs. fratura mecânica) são essenciais para validar a escolha do grau em seu processo específico.