NAK80 vs P20 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
NAK80 e P20 são dois dos aços para moldes mais comumente especificados nas indústrias de moldagem por injeção e ferramentas. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente ponderam as compensações entre eles ao escolher um aço para inserções de núcleo/cavidade, componentes de canal quente e ferramentas de protótipo. Os contextos típicos de decisão incluem equilibrar o acabamento da superfície e a polibilidade em relação ao custo e à usinabilidade, ou escolher entre resistência à corrosão melhorada e desempenho mecânico padrão.
A distinção prática central é que o NAK80 é um aço para moldes pré-endurecido de baixo carbono e com níquel, otimizado para alta polibilidade e resistência melhorada à corrosão ambiental, enquanto o P20 é um aço para moldes ligado a cromo-molibdênio desenvolvido para boa usinabilidade, endurecimento uniforme e ampla disponibilidade. Essa diferença influencia as escolhas em acabamento, processamento e desempenho a longo prazo das peças.
1. Normas e Designações
- P20:
- Designações comuns: AISI/UNS (frequentemente referenciado como AISI P20), equivalentes DIN/EN existem em listas de aços para ferramentas, e várias especificações nacionais (por exemplo, listas JIS/GB que referenciam aços para moldes).
- Classificação: Aço para ferramentas ligado / aço para moldes pré-endurecido.
- NAK80:
- Nome de grau comercial/proprietário amplamente utilizado na indústria de moldes de plástico (vendido por vários fabricantes de aço sob a designação NAK80).
- Classificação: Aço para moldes/ferramentas pré-endurecido com baixo teor de carbono e elevado teor de níquel, comercializado como um aço para moldes polível e resistente à corrosão.
Nota: Nenhum dos graus é um grau inoxidável no sentido estrito (ou seja, ambos não pertencem à família de aços inoxidáveis austeníticos), mas o teor de níquel do NAK80 proporciona resistência à corrosão melhorada em relação ao P20 convencional.
2. Composição Química e Estratégia de Ligações
A tabela a seguir lista intervalos de composição típicos relatados em fichas de dados comerciais. As composições variam de acordo com o fornecedor; sempre verifique com o certificado do lote para um determinado lote.
| Elemento | Composição típica (wt%) — NAK80 (aprox.) | Composição típica (wt%) — P20 (aprox.) |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 0.25 – 0.35 |
| Mn | 0.20 – 0.80 | 0.40 – 0.80 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 0.8 – 1.6 | 1.2 – 1.8 |
| Ni | 2.5 – 4.5 | 0.2 – 0.8 |
| Mo | 0.2 – 0.6 | 0.1 – 0.4 |
| V | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
| Nb (Cb) | ≤ 0.03 | traço/− |
| Ti | traço/− | traço/− |
| B | traço/− | traço/− |
| N | traço/− | traço/− |
Como a liga afeta o comportamento: - Carbono: Maior teor de carbono no P20 resulta em maior potencial de resistência ao endurecimento, mas reduz a polibilidade e aumenta o risco de fases duras que complicam o acabamento e aumentam a chance de trincas por solda sem pré-aquecimento/procedimentos controlados. - Níquel: O elevado teor de níquel do NAK80 melhora a tenacidade, ductilidade e resistência à corrosão ambiental (e contribui para uma microestrutura fina e estável favorável ao polimento de alto brilho). - Cromo e molibdênio: Ambos os graus incluem Cr e Mo para fornecer endurecimento, resistência ao revenido e resistência ao desgaste. O equilíbrio do P20 favorece a usinabilidade e o endurecimento total; o Cr/Mo do NAK80 é ajustado para complementar o Ni para acabamento de superfície e comportamento de corrosão. - Elementos de micro-liga (V, Nb, Ti): Presentes em baixos níveis para controlar o tamanho do grão e o comportamento de precipitação; impactam a usinabilidade, tenacidade e resposta ao revenido.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - P20: Na condição pré-endurecida (como fornecido), o P20 comumente contém martensita revenida e bainita revenida com uma proporção relativamente maior de carbonetos (devido ao maior teor de carbono) que estão distribuídos por toda a matriz. Após ciclos convencionais de resfriamento e revenido, o P20 atinge uma microestrutura martensítica com carbonetos de liga. - NAK80: Com menor teor de carbono e maior teor de níquel, o NAK80 na condição pré-endurecida apresenta uma matriz martensítica ou bainítica revenida com menos e menores carbonetos. O níquel estabiliza uma matriz mais tenaz e dúctil e reduz a formação de carbonetos de cromo grosseiros problemáticos para o acabamento espelhado.
Resposta ao tratamento térmico: - Normalização: Ambos os aços respondem à normalização para refinar o tamanho do grão, mas o NAK80 é tipicamente fornecido tratado a vácuo e pré-endurecido para minimizar a distorção pós-usinagem; a normalização é menos comum para peças de NAK80 destinadas a alto polimento. - Resfriamento e revenido: O P20 é projetado para ser tratado termicamente a níveis de dureza mais altos (e frequentemente é fornecido em condição pré-endurecida para moldes de produção). Endurecer o P20 requer cuidado com a temperatura de austenitização para gerenciar a austenita retida e a dissolução de carbonetos. O menor teor de carbono do NAK80 limita a dureza máxima endurecida, mas proporciona uma resposta ao revenido mais tolerante e melhor controle dimensional para polimento. - Processamento termo-mecânico: Não é tipicamente aplicado em contextos de aços para moldes em comparação com aços estruturais; ambos os graus dependem de tratamento térmico controlado em vez de caminhos de processamento de laminação a quente para propriedades finais.
4. Propriedades Mecânicas
Os valores variam significativamente com o tratamento térmico e o fornecedor. A tabela mostra intervalos representativos de condição entregue frequentemente vistos em dados comerciais.
| Propriedade | NAK80 (condição típica pré-endurecida) | P20 (condição típica pré-endurecida) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~800 – 1,200 | ~800 – 1,100 |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa) | ~600 – 900 | ~550 – 850 |
| Alongamento ( % ) | ~8 – 15 | ~8 – 15 |
| Tenacidade ao impacto (J, Charpy V‑notch) | moderada a boa (dependente do fornecedor) | moderada (depende do tratamento térmico) |
| Dureza (HRC) | ~28 – 36 (pré-endurecido) | ~28 – 34 (pré-endurecido) |
Interpretação: - Resistência: Nas fotos entregues, ambos podem fornecer intervalos de tração/escoamento semelhantes; o maior teor de carbono do P20 oferece um potencial de endurecimento marginalmente maior se totalmente resfriado e revenido, mas a liga do NAK80 produz valores de tração comparáveis em condições comerciais pré-endurecidas. - Tenacidade e ductilidade: O NAK80 geralmente apresenta melhor tenacidade e uma tendência de fratura mais dúctil em durezas comparáveis devido ao níquel e ao menor teor de carbono, que reduz carbonetos frágeis e melhora a resistência ao choque. - Dureza: Ambos são oferecidos em intervalos pré-endurecidos semelhantes otimizados para produção de moldes; a dureza máxima alcançável após o endurecimento total é tipicamente maior para o P20 devido ao seu maior teor de carbono, mas isso vem com compensações na acababilidade.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade dependem do equivalente de carbono e da micro-ligação.
Duass medidas comuns: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden–Bennett / Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - O P20 geralmente tem um teor de carbono mais alto, o que aumenta $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$, elevando o risco de trincas a frio induzidas por hidrogênio e exigindo pré-aquecimento, controle de temperatura entre passes e tratamento térmico pós-solda para reparos críticos de ferramentas ou seções grossas. - O baixo teor de carbono e o maior teor de níquel do NAK80 reduzem a propensão a zonas afetadas pelo calor da solda duras e frágeis; o níquel melhora a tenacidade e a tolerância a gradientes térmicos, tornando o NAK80 mais tolerante para soldagem e reparos locais. No entanto, devido aos requisitos de precisão do molde e à potencial sensibilização/contaminação, a soldagem deve ser planejada e validada (incluindo seleção de eletrodos e PWHT quando necessário). - Ambos os graus se beneficiam de consumíveis de baixo hidrogênio, pré-aquecimento quando recomendado e soldagens de teste para estabelecer parâmetros. Para moldes de alta precisão, a soldagem é frequentemente evitada em superfícies acabadas ou seguida por re-usinagem/polimento.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos aços NAK80 ou P20 é uma série de aço inoxidável projetada para resistência à corrosão por imersão a longo prazo. No entanto, o elevado teor de níquel do NAK80 resulta em resistência visivelmente melhor a ambientes corrosivos leves (atmosferas de moldagem úmidas e levemente agressivas, e limpeza repetida) em comparação com o P20.
- Quando a resistência à corrosão é necessária, ambos os aços são tipicamente protegidos com medidas de superfície:
- Eletrodeposição (níquel, cromo duro) para proteção contra desgaste e corrosão.
- Passivação química ou física não é aplicável como nos aços inoxidáveis.
- Manutenção regular e controle de secagem/dessecante no armazenamento de ferramentas mitigam a ferrugem.
- PREN (número equivalente de resistência à picotamento) é relevante apenas para graus inoxidáveis; para fins informativos: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice não é aplicável ao NAK80 ou P20 como aços para moldes comercializados (eles não são graus inoxidáveis ricos em cromo com conteúdo significativo de nitrogênio).
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- P20: Historicamente favorecido pela usinabilidade. O maior teor de carbono, a distribuição previsível de carbonetos e os parâmetros de ferramentas estabelecidos tornam o P20 fácil de fresar, furar e EDM antes do tratamento térmico final. Elementos formadores de carbonetos e microestrutura são compatíveis com ferramentas de alta velocidade padrão.
- NAK80: Um pouco mais desafiador de usinar do que o P20 em alguns casos devido às tendências de endurecimento por trabalho do níquel e à matriz mais resistente; no entanto, ferramentas modernas e parâmetros de corte mitigam as diferenças. O NAK80 usina bem quando utiliza ferramentas de carboneto de alta qualidade e alimentações ajustadas.
- EDM e acabamento de superfície:
- Ambos os aços são amigáveis ao EDM. O NAK80 frequentemente resulta em polimento espelhado superior e integridade de borda devido a menos carbonetos grosseiros e uma matriz fina—importante para superfícies ópticas e peças plásticas brilhantes.
- Formabilidade/dobra:
- Como aços para moldes usados em forma de bloco, a conformação não é uma preocupação primária; no entanto, para seções grossas e soldagem de recortes, o NAK80 tolera melhor a deformação e a soldagem de reparo do que alternativas de alto carbono.
- Acabamento de superfície:
- O NAK80 é projetado para graus de alto polimento (RA e acabamento espelhado) com menor tendência a micro-pitting e "casca de laranja" após ciclos repetidos. O P20 pode ser polido até alto brilho, mas pode exigir mais moagem corretiva e passivação.
8. Aplicações Típicas
| NAK80 | P20 |
|---|---|
| Cavidades e núcleos de moldes de injeção de alto brilho onde o acabamento espelhado e a resistência à corrosão (exposição a umidade/lavagem) são prioridades | Bases de moldes de injeção de uso geral, inserções e núcleo/cavidade onde custo e ampla usinabilidade são prioridades |
| Moldes de produção pequenos a médios onde polimento frequente e qualidade estética da superfície são necessários | Moldes de produção grandes, protótipos e moldes onde desempenho padrão e ampla disponibilidade são necessários |
| Componentes de canal quente, peças ópticas delicadas e inserções de moldagem de parede fina onde a resistência da superfície à corrosão/imperfeições é importante | Componentes de moldes estruturais, suportes e peças a serem usinadas/tratadas termicamente após a fabricação |
| Moldes que requerem ciclos de manutenção frequentes com re-polimento de superfície repetido | Moldes onde maior dureza final após resfriamento/revenido é necessária e usinagem pós-tratamento térmico está planejada |
Racional de seleção: - Escolha NAK80 quando acabamento de superfície, tolerância à corrosão e mínimo esforço de polimento ao longo do ciclo de vida do molde forem requisitos primários. - Escolha P20 quando custo, processamento padronizado e máxima usinabilidade ou maior dureza final forem mais importantes.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: O P20 é geralmente menos caro por kg devido à liga mais simples e ao amplo volume de produção. O NAK80 geralmente tem um custo adicional devido ao teor de liga (notavelmente níquel), fusão a vácuo e comercialização como um aço para moldes polível.
- Disponibilidade: O P20 é amplamente estocado em muitos tamanhos e formas de usina (blocos, placas, placas pré-endurecidas). O NAK80 está amplamente disponível, mas pode ter prazos de entrega mais longos ou disponibilidade limitada em seções muito grandes, dependendo do fornecedor e do estoque regional.
- Formas de produto: Ambos estão disponíveis como placas pré-endurecidas, blocos e às vezes barras totalmente endurecidas; o NAK80 é mais comumente especificado na condição pré-endurecida para preservar a qualidade da superfície.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | NAK80 | P20 |
|---|---|---|
| Soldabilidade (qualitativa) | Melhor (menor C, maior Ni) | Boa a moderada (maior C → mais precauções de solda) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Excelente tenacidade em dureza comparável | Bom potencial de resistência; tenacidade depende do tratamento térmico |
| Custo | Maior (liga premium, estoque acabado) | Menor (aço para moldes commodity) |
Escolha NAK80 se: - O acabamento espelhado/polibilidade e a qualidade estética da peça forem críticos. - O molde será exposto à umidade, limpeza regular ou ambientes levemente corrosivos e você precisar de melhor tolerância à corrosão sem revestimento. - Espera-se re-polimento frequente no molde e longa vida estética e você deseja minimizar os ciclos de acabamento.
Escolha P20 se: - Orçamento e disponibilidade de material forem restrições primárias. - Você precisar de um aço para moldes bem compreendido e fácil de usinar, adequado para uma ampla gama de aplicações de moldagem. - Maior usinabilidade ou a opção de resfriar/revender para dureza mais alta for necessária e os requisitos estéticos da superfície forem moderados ou serão abordados por revestimentos/revestimentos.
Nota final: Para decisões de produção, obtenha e compare os certificados da usina, confirme as práticas recomendadas de usinagem e tratamento térmico do fornecedor e realize testes de usinagem/polimento e, quando aplicável, testes de solda. O desempenho real da peça depende do lote de liga específico, tamanho da seção e dos passos de processamento térmico e mecânico aplicados.