H13 vs SKD61 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

H13 e SKD61 são dois dos aços para ferramentas de trabalho a quente mais amplamente especificados, usados para matrizes, moldes e componentes de ferramentas expostos a altas temperaturas, ciclos térmicos e desgaste abrasivo. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam a decisão entre essas classes ao especificar material para matrizes de forjamento a quente, ferramentas de fundição sob pressão, matrizes de extrusão e equipamentos de cisalhamento a quente. A decisão geralmente equilibra a temperabilidade, resistência ao revenido e desempenho em fadiga térmica contra disponibilidade, custo e convenções de nomenclatura locais.

A principal distinção é principalmente a nomenclatura e a origem dos padrões: H13 é a designação no estilo AISI/ASTM comumente usada na América do Norte e na Europa, enquanto SKD61 é a designação JIS (Padrão Industrial Japonês). Metalurgicamente, eles são aços para ferramentas de trabalho a quente funcionalmente equivalentes, com adições intencionais de Cr, Mo e V para proporcionar temperabilidade, resistência ao revenido e resistência ao desgaste para serviço em altas temperaturas.

1. Padrões e Designações

• AISI/SAE / ASTM: H13 — designação ocidental comum para aço para ferramentas de trabalho a quente.
• JIS: SKD61 — designação japonesa para o equivalente ao H13.
• DIN / EN: listado sob aços para ferramentas de trabalho a quente (tipos de cromo–molibdênio–vanádio); comumente referenciado em especificações e normas europeias para aços para ferramentas.
• GB (China): disponível sob normas nacionais chinesas para aço para ferramentas de trabalho a quente com faixas químicas equivalentes.
• ISO: referenciado em classificações internacionais de aços para ferramentas como grau Cr-Mo-V para trabalho a quente.

Classificação: tanto H13 quanto SKD61 são aços para ferramentas (aço para ferramentas de trabalho a quente). Eles são aços liga com adições intencionais de Cr, Mo e V para fornecer temperabilidade, resistência ao revenido e resistência ao desgaste para serviço em altas temperaturas.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

As duas classes são essencialmente equivalentes em conceito de liga: carbono médio com adições moderadas de Cr, Mo e V para melhorar a temperabilidade, resistência ao revenido e endurecimento secundário. A tabela abaixo mostra faixas de composição típicas comumente encontradas em normas e fichas técnicas de fornecedores.

Elemento	H13 Típico (wt%)	SKD61 Típico (wt%)
C	0.32 – 0.45	0.32 – 0.45
Mn	0.20 – 0.50	0.20 – 0.50
Si	0.80 – 1.20	0.80 – 1.20
P	≤ 0.030	≤ 0.030
S	≤ 0.030	≤ 0.030
Cr	4.75 – 5.50	4.75 – 5.50
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	1.10 – 1.75	1.10 – 1.75
V	0.80 – 1.20	0.80 – 1.20
Nb/Ti/B/N	traço / tipicamente controlado	traço / tipicamente controlado

Como a liga afeta o desempenho: - Carbono: controla a temperabilidade e a dureza máxima; maior C aumenta a dureza e a resistência ao desgaste, mas reduz a tenacidade e a soldabilidade. - Cromo: aumenta a temperabilidade, resistência ao desgaste e resistência à oxidação em altas temperaturas. - Molibdênio: melhora a temperabilidade e a resistência em altas temperaturas (resistência ao revenido). - Vanádio: refina os carbonetos e o tamanho do grão, melhorando a resistência ao desgaste e a tenacidade. - Silício e manganês: desoxidação e modificadores de resistência; excesso de Mn pode formar fases quebradiças se não controlado.

Microaliagens menores e elementos traço (Nb, Ti, B) podem estar presentes em fusões modernas para controlar o tamanho do grão e melhorar a temperabilidade; estes são geralmente rigorosamente controlados por cada norma e usina.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Como laminado/normatizado: matriz martensítica temperada com carbonetos de liga dispersos e possível austenita retida dependendo do processamento. - Após têmpera e revenido: martensita temperada com carbonetos de liga (carbonetos de Cr, Mo, V) uniformemente distribuídos. O endurecimento secundário devido à precipitação de carbonetos durante o revenido é uma característica chave para a resistência ao revenido em altas temperaturas.

Caminhos e efeitos do tratamento térmico: - Normalização: refina o tamanho do grão de austenita anterior e reduz a segregação; típico para grandes forjados e para produzir uma estrutura inicial uniforme antes da têmpera. - Têmpera (óleo ou vácuo): austenitiza (típico 1000–1050 °C, dependendo do tamanho da seção e da norma), em seguida, tempera para alcançar a transformação martensítica. Tanto H13 quanto SKD61 respondem de maneira semelhante; pré-aquecimento adequado e resfriamento controlado minimizam distorções e trincas. - Revenido: múltiplos ciclos de revenido (comumente 2–3) em temperaturas elevadas de revenido (por exemplo, 500–600 °C) para desenvolver a dureza e tenacidade necessárias. Ambas as classes exibem endurecimento secundário; a seleção da temperatura de revenido equilibra dureza versus tenacidade e resistência à fadiga térmica. - Processamento termo-mecânico: forjamento a quente seguido de normalização controlada melhora a tenacidade ao impacto e reduz a segregação; o T&T final otimiza as propriedades.

Como as químicas são muito semelhantes, a evolução da microestrutura e a resposta ao tratamento térmico são efetivamente intercambiáveis, embora as práticas de tratamento térmico de fornecedores individuais e os efeitos do tamanho do calor possam produzir diferenças mensuráveis nas propriedades finais.

4. Propriedades Mecânicas

Faixas típicas de propriedades mecânicas são mostradas para condições de têmpera e revenido comumente usadas em ferramentas (os valores são indicativos; especifique o tratamento térmico exato e o padrão de teste ao adquirir material).

Propriedade	H13 Típico (têmpera & revenido)	SKD61 Típico (têmpera & revenido)
Resistência à tração (Rm)	1100 – 1600 MPa	1100 – 1600 MPa
Resistência ao escoamento (Rp0.2)	900 – 1400 MPa	900 – 1400 MPa
Alongamento (A%)	6 – 12%	6 – 12%
Tenacidade ao impacto (Charpy V-notch)	10 – 40 J (depende da dureza/tratamento térmico)	10 – 40 J (depende da dureza/tratamento térmico)
Dureza (HRC)	40 – 55 HRC (faixa típica de produção)	40 – 55 HRC (faixa típica de produção)

Qual é mais forte, mais resistente ou mais dúctil? - Não há vantagem intrínseca de resistência para nenhuma das classes; ambas são projetadas para dureza e resistência ao revenido em altas temperaturas. A resistência final e a tenacidade dependem fortemente do teor exato de carbono, temperatura de tratamento térmico, regime de revenido e tamanho da seção. - A tenacidade geralmente diminui com o aumento da dureza (temperatura de revenido mais alta reduz a dureza, mas aumenta a tenacidade). Ambas as classes seguem o mesmo compromisso. - Na prática, as diferenças em tenacidade ou ductilidade entre H13 e SKD61 estão tipicamente dentro da variabilidade do processo e do calor para calor, em vez de serem inerentes a uma designação particular.

5. Soldabilidade

A soldabilidade dos aços para ferramentas de trabalho a quente é limitada pelo teor de carbono e pela temperabilidade. Considerações-chave: - Equivalente de carbono: maior C, Cr, Mo, V aumentam a temperabilidade e a suscetibilidade a trincas na HAZ. - Use pré-aquecimento, controle de temperatura entre passes e revenido pós-solda para minimizar trincas e trincas a frio induzidas por hidrogênio.

Índices de soldabilidade comuns: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Índice Pcm (Boehler): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação (qualitativa): - Tanto H13 quanto SKD61 exibem valores semelhantes de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ devido às químicas quase idênticas; ambos são considerados moderadamente difíceis de soldar sem procedimento especial. - Prática recomendada: pré-aquecimento controlado (geralmente 150–300 °C dependendo da espessura), consumíveis de baixo hidrogênio, controle de temperatura entre passes, peening se necessário, e revenido pós-solda para restaurar o revenido e aliviar tensões residuais. - A soldagem é tipicamente usada para reparos menores; para ferramentas críticas, muitas vezes é preferível soldar apenas em seções que serão reaquecidas e revenidas após a soldagem para restaurar as propriedades.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• H13 e SKD61 não são aços inoxidáveis; sua resistência à corrosão é limitada. A seleção deve considerar a proteção da superfície e o ambiente.
• Estratégias de proteção da superfície:
• Revestimentos protetores (PVD/CVD) para redução de desgaste, não apenas corrosão.
• A galvanização não é tipicamente aplicável para ferramentas de aço devido a preocupações com temperatura e adesão.
• Pintura, lubrificação ou conversões do tipo cromato para proteção durante o armazenamento.
• Nitruração localizada ou endurecimento de superfície pode melhorar a resistência ao desgaste e à corrosão onde apropriado; note que a nitruração altera a química da superfície e pode afetar o comportamento de fadiga.
• PREN (Número Equivalente de Resistência à Fenda) se aplica a graus inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Isso não se aplica ao H13/SKD61 porque são aços para ferramentas não inoxidáveis e não dependem do teor de Cr para a formação de filme de corrosão passiva da mesma forma que as ligas inoxidáveis.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: na condição de recozido/amolecido, esses aços são usináveis com ferramentas de metal duro; as velocidades de corte e os avanços devem ser conservadores em comparação com aços de baixa liga. H13/SKD61 endurecido requer ferramentas de metal duro ou cerâmicas de alto desempenho.
• Desbaste e EDM: ambas as classes respondem bem ao desbaste em oficina e EDM; EDM é comumente usado para geração de cavidades complexas e modificações.
• Formação/dobra: limitada quando endurecida; na condição amolecida, processos padrão de formação a quente e a frio são possíveis, mas o retorno elástico e o trabalho a frio devem ser considerados.
• Acabamento de superfície: devido aos carbonetos de liga, o polimento fino a acabamentos espelhados é alcançável, mas pode exigir abrasivos especializados e tempos de ciclo mais longos.

8. Aplicações Típicas

H13 (AISI) — Usos Típicos	SKD61 (JIS) — Usos Típicos
Matrizes de fundição sob pressão a quente (alumínio, zinco)	Matrizes de fundição sob pressão a quente
Matrizes de forjamento (forjamento a queda, forjamento de upset)	Matrizes de forjamento e ferramentas de extrusão a quente
Matrizes de extrusão para ligas de alta temperatura	Ferramentas de extrusão e lâminas de cisalhamento a quente
Matrizes de estampagem a quente	Matrizes de estampagem a quente e formação a quente
Moldes de injeção plástica para polímeros de alta temperatura (usos selecionados)	Moldes para plásticos de engenharia e processamento de compósitos

Racional de seleção: - Escolha essas classes quando as ferramentas devem resistir à deformação plástica, manter dureza em altas temperaturas e resistir à fadiga térmica. A escolha entre H13 e SKD61 é tipicamente impulsionada pela especificação regional ou disponibilidade do fornecedor, em vez de diferenças de desempenho do material.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: H13 e SKD61 têm custos de matéria-prima comparáveis; o preço de mercado varia por região, usina e forma de fornecimento (barra redonda, chapa, bloco forjado, chapa pré-endurecida). SKD61 pode estar mais prontamente disponível na Ásia; a designação H13 pode ser mais comum na América do Norte e na Europa.
• Disponibilidade: ambas as classes são amplamente produzidas e disponíveis em várias usinas em formas que incluem barras, chapas, forjados e blanks pré-endurecidos. Os prazos de entrega dependem do tamanho e do estado do tratamento térmico.
• Economias de escala: comprar tamanhos de barra padrão ou chapas pré-endurecidas geralmente reduz o custo em comparação com forjados personalizados ou blocos pequenos de têmpera e revenido.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo — comparação qualitativa

Atributo	H13	SKD61
Soldabilidade	Moderada–difícil (requer procedimento)	Moderada–difícil (requer procedimento)
Equilíbrio Dureza–Tenacidade	Alta resistência com boa resistência ao revenido; compromisso com a tenacidade em durezas mais altas	Equivalente: alta resistência e resistência ao revenido, compromissos semelhantes
Custo & Disponibilidade	Amplamente disponível nas Américas/Europa; nome de especificação comum	Amplamente disponível na Ásia; nome de especificação JIS comum

Conclusões e recomendações práticas: - Escolha H13 se você estiver especificando para a nomenclatura AISI/ASTM, adquirindo de fornecedores ou usinas que citem o material como H13, ou se as ferramentas forem fabricadas e mantidas em regiões onde H13 é o termo padrão. - Escolha SKD61 se você estiver trabalhando com especificações baseadas em JIS, adquirindo de fornecedores asiáticos, ou se seus pedidos de compra e documentação de qualidade referirem-se ao SKD61 como a classe contratual. - Para decisões críticas sobre ferramentas, concentre-se em: tolerâncias de composição exatas, instruções específicas de tratamento térmico (programas de austenitização e revenido), metas de dureza e tenacidade necessárias, e critérios claros de aceitação não destrutiva ou mecânica. Como H13 e SKD61 são metalurgicamente equivalentes, assegure-se de que a aquisição enfatize a condição de tratamento térmico, rastreabilidade e certificações da usina, em vez de apenas o nome da classe.

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