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

Introdução

H13 (designação AISI/ASTM) e SKD61 (designação JIS) são dois dos aços para ferramentas de trabalho a quente mais comumente especificados em todo o mundo. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam a escolha entre eles ao especificar matrizes, moldes e ferramentas de conformação a quente — as considerações geralmente incluem resistência ao calor, vida útil, soldabilidade e conformidade com a cadeia de suprimentos. O dilema de seleção muitas vezes se reduz a priorizar a especificação e a conformidade com normas (que influenciam certificados de inspeção, tolerâncias dimensionais e critérios de aceitação) em relação à química do material e à prática de tratamento térmico que governam o desempenho em serviço.

Ambos os graus são quimicamente e metalurgicamente muito semelhantes; a principal distinção prática reside em normas, tolerâncias permitidas e requisitos de condição de entrega. Como eles convergem na mesma estratégia de liga (aço para trabalho a quente Cr–Mo–V), muitas vezes são intercambiáveis em função, mas nem sempre intercambiáveis no papel em contratos regulamentados ou onde a rastreabilidade e a certificação a um padrão específico são exigidas.

1. Normas e Designações

• H13: As designações e normas comuns incluem AISI H13, SAE J431 (histórica), ASTM A681 (barras de aço para ferramentas), normas AMS (para substratos aeroespaciais) e vários equivalentes EN/ISO (frequentemente referidos como X40CrMoV5-1 / 1.2344, dependendo da especificação exata e da condição de entrega).
• SKD61: JIS G4404 (SKD61) é a designação da Norma Industrial Japonesa. Materiais equivalentes são comumente cruzados com AISI H13 ou graus de aço para ferramentas DIN/EN, mas os detalhes podem variar por usina e especificação.
• Classificação: Tanto H13 quanto SKD61 são aços para ferramentas de trabalho a quente (aços de liga/ferramenta), não inoxidáveis, não HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Elemento	Faixa Típica H13 (wt%)	Faixa Típica SKD61 (wt%)
C	0.32–0.45	0.32–0.45
Mn	0.20–0.60	0.20–0.50
Si	0.80–1.20	0.70–1.20
P	≤0.03 (traço)	≤0.03 (traço)
S	≤0.03 (traço)	≤0.03 (traço)
Cr	4.75–5.50	4.75–5.50
Ni	≤0.30	≤0.30
Mo	1.10–1.75	1.10–1.50
V	0.80–1.20	0.80–1.20
Nb, Ti, B, N	≤traço	≤traço

Notas: - As faixas são faixas comerciais típicas; a composição exata varia conforme a norma e a usina. SKD61 e H13 utilizam a mesma estratégia de liga: carbono de faixa média para dureza e desgaste, cromo significativo para resistência ao tempera e resistência à oxidação, molibdênio e vanádio para endurecimento secundário, resistência a altas temperaturas e dispersão de carbonetos para resistência ao desgaste. - Diferenças menores entre normas geralmente aparecem nos limites de impurezas, elementos traço e janelas de composição permitidas, em vez de na abordagem fundamental de liga.

Como a liga afeta as propriedades: - O carbono controla a dureza e resistência ao desgaste alcançáveis, mas aumenta a endurecibilidade e o risco de trincas. - O cromo fornece endurecibilidade, resistência a altas temperaturas e resistência à oxidação. - O molibdênio melhora a resistência ao tempera e o endurecimento secundário. - O vanádio forma carbonetos estáveis que melhoram a resistência ao desgaste e refinam o tamanho do grão, aumentando a tenacidade. - O silício e o manganês são desoxidantes e contribuem para a resistência; excesso de Mn pode reduzir a tenacidade.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Na condição recozida ou normalizada: martensita temperada ou estruturas bainíticas/pearlíticas dependendo do resfriamento; microestruturas recozidas macias contêm carbonetos dispersos em ferrita/pearlita para usinabilidade. - Após ciclos padrão de têmpera e revenimento: matriz de martensita temperada com carbonetos dispersos de cromo/molibdênio/vanádio que proporcionam alta resistência e dureza a quente. O endurecimento secundário de Mo e V produz dureza aumentada após o revenimento em temperaturas elevadas típicas para aços para trabalho a quente. - SKD61 e H13 desenvolvem essencialmente os mesmos constituintes microestruturais sob ciclos de tratamento térmico equivalentes.

Caminhos de tratamento térmico e seus efeitos: - Normalização: refina o tamanho do grão de austenita anterior e homogeneiza a microestrutura; recomendado antes da usinagem grosseira para seções grandes. - Endurecimento (austenitização e têmpera): austenitiza tipicamente na faixa de 1000–1050 °C (temperatura exata conforme a especificação), seguido de têmpera em óleo ou ar dependendo do tamanho da seção e da tenacidade requerida. Produz martensita e austenita retida. - Revenimento: múltiplos ciclos de revenimento (frequentemente 2–3) são usados para reduzir tensões residuais e desenvolver a dureza desejada, promovendo o endurecimento secundário (devido aos carbonetos de Mo e V). Temperaturas de revenimento mais altas reduzem a dureza, mas melhoram a tenacidade. - Processamento termo-mecânico (para forjados e grandes matrizes): temperaturas de forjamento controladas e recozimentos subcríticos reduzem a segregação e refinam os carbonetos, melhorando a tenacidade e a vida em fadiga.

4. Propriedades Mecânicas

Propriedade	H13 Típico (têmpera & revenido)	SKD61 Típico (têmpera & revenido)
Resistência à tração	~1000–1800 MPa (dependendo do revenimento)	~1000–1800 MPa (faixa similar)
Resistência ao escoamento	~800–1500 MPa	~800–1500 MPa
Alongamento (A%)	~5–12%	~5–12%
Tenacidade ao impacto (Charpy V)	~15–45 J (depende da dureza/revenimento)	~15–45 J (comparável)
Dureza (HRC)	~40–52 HRC (faixa operacional típica)	~40–52 HRC

Interpretação: - Ambos os graus exibem perfis de resistência e tenacidade semelhantes porque compartilham os mesmos elementos de liga primários. As trocas entre resistência e tenacidade são controladas principalmente pelo teor de carbono e pela prática de revenimento, em vez do rótulo H13 vs SKD61. - A tenacidade é aprimorada por uma normalização e revenimento cuidadosos, bem como pela redução da espessura da seção e pela prática adequada de tratamento térmico. - A diferença prática raramente está nas propriedades mecânicas intrínsecas, mas nas condições de entrega garantidas, instruções de tratamento térmico e critérios de aceitação especificados pela norma selecionada.

5. Soldabilidade

Considerações de soldabilidade para ambos os graus: - O equivalente de carbono e índices de composição equivalente são usados para avaliar o risco de trincas a frio e os requisitos de pré-aquecimento/pós-aquecimento. Fórmulas empíricas comuns incluem:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

e

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

• Interpretação: Tanto H13 quanto SKD61 têm carbono moderado e liga significativa (Cr, Mo, V) que aumentam CE e $P_{cm}$. Isso significa:
• Pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas são geralmente necessárias para evitar trincas a frio induzidas por hidrogênio.
• O tratamento térmico pós-solda (PWHT) ou revenimento pode ser necessário para restaurar a tenacidade e reduzir tensões residuais em peças críticas em serviço.
• A seleção do material de solda deve corresponder à química e acomodar as tendências de carbonetos/endurecimento secundário.
• Orientação prática: A soldagem é viável com procedimentos apropriados (consumíveis de baixo hidrogênio, pré-aquecimento, resfriamento lento), mas a soldagem de reparo de ferramentas de trabalho a quente altamente estressadas requer controle metalúrgico e ciclos subsequentes de revenimento.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto H13 quanto SKD61 são aços para ferramentas não inoxidáveis; eles não oferecem resistência à corrosão notável em comparação com graus inoxidáveis. Eles resistem à oxidação e formação de escamas em temperaturas elevadas melhor do que aços de carbono simples devido ao teor de Cr, mas não são resistentes à corrosão em ambientes químicos úmidos ou agressivos.
• Estratégias comuns de proteção de superfície:
• Revestimentos protetores (PVD/CVD) para resistência ao desgaste e corrosão leve.
• Nitruração ou carbonitruração de superfície para aumentar a dureza da superfície e melhorar a resistência à fadiga/desgaste (deve-se considerar a tensão residual e a distorção).
• Pinturas, revestimentos epóxi ou galvanização para serviços não de alta temperatura (galvanização não é apropriada para superfícies de matrizes de alta temperatura).
• A fórmula PREN para ligas inoxidáveis não se aplica a H13/SKD61, mas para completude, a expressão PREN é:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

Use PREN apenas para avaliar a resistência à picotamento de aços inoxidáveis; não se aplica a aços para ferramentas de trabalho a quente.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: Na condição recozida, ambos os aços usinam razoavelmente bem; a dureza e o teor de carbonetos aumentam o desgaste da ferramenta na condição endurecida. Elementos formadores de carbonetos (V, Mo) aumentam a abrasão, reduzindo a vida útil da ferramenta para fresamento/perfuração de alta precisão, a menos que ferramentas de carboneto sejam usadas.
• Formabilidade: A conformação a frio é limitada em material endurecido. Bilhas recozidas macias podem ser conformadas; forjamento a quente/forjamento seguido de tratamento térmico controlado é comum para produzir grandes blocos de matrizes e forjados.
• Desbaste e EDM são operações de acabamento padrão para ferramentas endurecidas; EDM é comumente usado para cavidades complexas e trabalhos de reparo.
• Tratamentos de superfície, como nitruração, podem reduzir a usinabilidade e exigir ajustes nas operações de acabamento.

8. Aplicações Típicas

Usos Típicos H13 (AISI)	Usos Típicos SKD61 (JIS)
Matrizes de fundição a quente	Matrizes de fundição a quente
Matrizes e insertos de forjamento a quente	Matrizes e êmbolos de extrusão a quente
Lâminas e punções de corte a quente	Matrizes de forjamento e ferramentas de fundição
Núcleos de moldes de injeção plástica (ciclos térmicos altos)	Ferramentas de conformação a altas temperaturas
Ferramentas resistentes ao calor para alumínio e latão	Componentes de prensa e matriz para conformação a quente

Racional de seleção: - Ambos os graus são escolhidos para aplicações de trabalho a quente onde resistência à fadiga térmica, amolecimento térmico e desgaste abrasivo são requisitos primários. - Escolha com base no tipo de carga, frequência de ciclo, temperatura de operação e vida útil de superfície requerida; o desempenho metalúrgico é semelhante, portanto, considerações logísticas e contratuais (especificação, certificação) frequentemente direcionam a escolha.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: Geralmente semelhante em uma base por kg, pois a química e o processamento são equivalentes. Fatores de mercado regionais podem tornar o SKD61 mais econômico na Ásia, enquanto o H13 (especificado para ASTM/AMS) pode ser preferido e mais prontamente estocado na América do Norte e Europa.
• Formas de produto e disponibilidade: Ambos os graus estão amplamente disponíveis em barras, chapas, forjados e blocos pré-endurecidos. A disponibilidade de formas de produto específicas (grandes blocos forjados, chapas de precisão) depende das capacidades da usina regional e do estoque.
• Prazos de entrega: Especificar uma norma particular (JIS vs ASTM/AMS) pode afetar os prazos de entrega e a documentação de inspeção; para componentes críticos, confirme os certificados de teste da usina e as desvios permitidos com antecedência.

10. Resumo e Recomendação

Atributo	H13	SKD61
Soldabilidade	Moderada; requer pré-aquecimento/PWHT	Moderada; precauções de soldagem idênticas
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Alta resistência com boa tenacidade após HT adequado	Equilíbrio equivalente sob HT equivalente
Custo & disponibilidade	Amplamente disponível globalmente; preferido em contextos ASTM/AMS	Amplamente disponível, muitas vezes mais econômico na Ásia; certificado JIS

Recomendações: - Escolha H13 se: sua cadeia de suprimentos, contratos ou requisitos de certificação exigirem especificações AISI/ASTM/AMS, ou se seus processos de aquisição e inspeção estiverem configurados em torno dessas normas. É a escolha pragmática para compras na América do Norte e Europa, onde a documentação e os critérios de aceitação favorecem H13/ASTM. - Escolha SKD61 se: sua aquisição estiver centrada regionalmente no Japão ou na Ásia, documentos contratuais referirem-se a normas JIS, ou se você exigir compatibilidade com a documentação de teste de usina certificada pela JIS. O SKD61 pode oferecer vantagens de custo ou prazo de entrega nesses mercados. - Em termos funcionais, escolha qualquer grau quando as necessidades primárias forem dureza a quente, resistência à fadiga térmica e resistência ao desgaste — mas sempre especifique instruções de tratamento térmico, faixas de aceitação de dureza e requisitos de inspeção/certificação para garantir que o produto entregue atenda à intenção de engenharia.

Nota final: Do ponto de vista do desempenho metalúrgico, H13 e SKD61 são efetivamente ligas equivalentes. O fator decisivo para muitos usuários industriais é a conformidade com normas e a documentação e tolerâncias associadas à cadeia de suprimentos, não uma diferença substancial no comportamento em serviço. Ao especificar ferramentas, inclua parâmetros explícitos de tratamento térmico, faixas de dureza de aceitação e procedimentos de soldagem de reparo para garantir desempenho previsível, independentemente de o material ser rotulado como H13 ou SKD61.