S7 vs D2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
S7 e D2 são dois aços ferramenta amplamente utilizados que engenheiros e profissionais de compras frequentemente comparam ao especificar ferramentas, peças de desgaste e componentes expostos a impactos ou desgaste abrasivo. Os contextos típicos de decisão incluem a escolha entre maior tenacidade para cargas de choque versus maior dureza e resistência ao desgaste para contato abrasivo ou deslizante, ou equilibrar usinabilidade e custo em relação ao desempenho em serviço.
A principal diferença prática é que uma classe é otimizada para resistência ao impacto e tenacidade, enquanto a outra é otimizada para alta dureza e resistência ao desgaste. Como ambos são usados em aplicações de ferramentas de trabalho a frio, os projetistas devem pesar as compensações no conteúdo de liga, resposta ao tratamento térmico, usinabilidade, soldabilidade e custo do ciclo de vida ao selecionar entre S7 e D2.
1. Normas e Designações
- Normas e designações comuns encontradas comercialmente:
- Designações AISI/SAE e ASTM mais antigas: AISI S7, AISI D2 (frequentemente usadas na América do Norte).
- EN/Europeu: equivalentes podem ser dados como 1.2379 (para D2) e números EN semelhantes para aços do tipo S (equivalentes exatos devem ser verificados por fornecedor).
- JIS/GB: equivalentes regionais existem, mas variam; confirme com certificados de usina.
- Classificação:
- S7 — aço ferramenta resistente a choque (aço ferramenta de liga projetado para resistência a impacto e choque).
- D2 — aço ferramenta de endurecimento ao ar de alto carbono e alto cromo (aço ferramenta de trabalho a frio com alta resistência ao desgaste).
- Nenhum dos dois, S7 ou D2, é uma classe inoxidável (D2 tem alto cromo, mas não é considerado inoxidável no sentido de resistência à corrosão).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
As faixas de composição típicas abaixo são dadas como faixas representativas de wt% "típicas" vistas em fichas de dados comerciais; sempre consulte a certificação específica da usina/fornecedor para valores precisos.
| Elemento | S7 Típico (wt%) | D2 Típico (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.45–0.55 | 1.40–1.60 |
| Mn | 0.20–0.50 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.45 | 0.10–1.00 |
| P | ≤0.030 (traço) | ≤0.030 (traço) |
| S | ≤0.030 (traço) | ≤0.030 (traço) |
| Cr | 0.80–1.50 | 11.0–13.0 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.40 |
| Mo | 0–0.50 (pequeno ou ausente) | 0.70–1.20 |
| V | pequeno (traço–0.30) | 0.60–1.10 |
| Nb (Cb) | tipicamente nenhum | tipicamente nenhum ou traço |
| Ti | tipicamente nenhum | tipicamente nenhum ou traço |
| B | tipicamente nenhum | tipicamente nenhum |
| N | traço | traço |
Como a liga afeta as propriedades - Carbono: O alto teor de carbono do D2 permite uma alta fração volumétrica de carbonetos duros e dureza muito alta alcançável; o carbono moderado do S7 equilibra dureza e ductilidade para tenacidade. - Cromo: O grande teor de Cr do D2 aumenta a endurecibilidade e forma carbonetos ricos em cromo para resistência ao desgaste; o modesto teor de Cr do S7 ajuda na endurecibilidade e na resposta ao revenido sem formação excessiva de carbonetos. - Molibdênio e Vanádio: No D2, Mo e V estabilizam carbonetos e contribuem para resistência ao revenido em alta temperatura e resistência ao desgaste. O S7 pode usar pequenas quantidades de Mo ou V para refinar o grão e melhorar a endurecibilidade, mas em níveis muito mais baixos. - Elementos menores (Mn, Si) influenciam a desoxidação, a endurecibilidade e o comportamento do revenido.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura (típica após tratamentos térmicos comuns) - S7: A microestrutura típica após o resfriamento e revenido adequados é uma matriz martensítica revenida com relativamente poucos carbonetos finos. O S7 é projetado para reter uma martensita dúctil e tenaz e minimiza grandes carbonetos duros que atuam como iniciadores de trincas. - D2: A estrutura típica é martensita/matriz revenida contendo uma população significativa de carbonetos estáveis ricos em cromo (principalmente carbonetos do tipo M7C3 e M23C6, juntamente com carbonetos de vanádio e molibdênio). Esses carbonetos oferecem alta resistência ao desgaste, mas reduzem a tenacidade.
Comportamento do tratamento térmico - S7: Responde bem a ciclos convencionais de resfriamento e revenido. É tipicamente resfriado em óleo a partir de uma temperatura de austenitização apropriada e, em seguida, revenido para a dureza alvo para otimizar a tenacidade. A normalização antes da têmpera é usada para refinar o grão e homogeneizar a microestrutura para seções grandes. - D2: É um aço ferramenta de endurecimento ao ar (altamente ligado) — frequentemente pré-aquecido e, em seguida, resfriado ao ar em um ou múltiplos passos a partir da temperatura de austenitização. Devido ao seu alto teor de Cr e C, o D2 desenvolve um alto volume de carbonetos duros e alcança alta dureza com distorção reduzida em comparação com graus de resfriamento em água/óleo. O revenido duplo ou tratamento a subzero pode ser usado para reduzir a austenita retida e estabilizar a dureza.
Processamento termo-mecânico - O S7 se beneficia de forjamento controlado e normalização para refinar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade ao impacto para aplicações de choque. - O D2 se beneficia de processamento térmico preciso para controlar a distribuição de carbonetos; deformação severa antes do tratamento térmico requer etapas cuidadosas de recuperação/recristalização para evitar carbonetos grosseiros.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dos aços ferramenta são fortemente dependentes do tratamento térmico. A tabela abaixo fornece faixas comparativas típicas em vez de valores absolutos para refletir essa dependência.
| Propriedade | S7 (faixa condicionada típica) | D2 (faixa condicionada típica) |
|---|---|---|
| Dureza (HRC) | ~45–56 (dependendo do revenido) | ~56–64 (dureza de pico alcançável mais alta) |
| Resistência à tração (MPa) | Moderada a alta (tratada termicamente) | Alta (depende da dureza) |
| Resistência ao escoamento (MPa) | Moderada | Maior em dureza equivalente |
| Alongamento (%) | Maior (melhor ductilidade) | Menor (menos dúctil) |
| Tenacidade ao impacto (J ou ft·lb) | Relativamente alta (projetada para choque) | Baixa a moderada (tenacidade reduzida devido aos carbonetos) |
Interpretação - Resistência e dureza: O D2 geralmente alcança maior dureza e, portanto, maior resistência ao desgaste; o S7 atinge menor dureza de pico, mas fornece um melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade. - Tenacidade e ductilidade: O S7 é significativamente mais tenaz e mais dúctil do que o D2 sob dureza tratada termicamente comparável, o que torna o S7 preferível onde o carregamento de impacto ou choque é o principal modo de falha. - Desgaste vs. fratura: O D2 resiste ao desgaste abrasivo e adesivo consideravelmente melhor devido à abundância de carbonetos, mas é mais suscetível à fratura frágil sob impacto ou sobrecarga de tração.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende do equivalente de carbono, da endurecibilidade e da suscetibilidade a trincas durante a soldagem.
Índices de soldabilidade úteis (uso qualitativo apenas): - Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Instituto de Soldagem): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa - S7: Carbono moderado e menor liga geral dão um equivalente de carbono mais baixo do que o D2 em muitos casos, portanto, o S7 é geralmente mais fácil de pré-aquecer e soldar (com procedimentos apropriados). No entanto, os procedimentos de soldagem ainda devem controlar a temperatura entre passes, pré-aquecimento e tratamento térmico pós-soldagem para evitar trincas, pois o metal base pode formar martensita dura na zona afetada pelo calor. - D2: Alto carbono e alto cromo produzem um alto equivalente de carbono e uma forte tendência a formar microestruturas duras e frágeis na zona afetada pelo calor. O D2 é considerado difícil de soldar; a prática comum é evitar a soldagem quando possível ou usar procedimentos especializados (pré-aquecimento extensivo, entradas de calor baixas, revenido pós-soldagem) ou empregar brasagem ou união mecânica em vez disso.
Em suma, o S7 é mais soldável do que o D2, mas ambos requerem procedimentos controlados; o D2 frequentemente requer estratégias de união alternativas à soldagem.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, S7 ou D2, é um aço inoxidável resistente à corrosão. O D2 contém alto cromo (≈12%) que lhe confere resistência melhorada à corrosão atmosférica geral em comparação com aços de baixo cromo, mas ainda assim corroerá em ambientes agressivos.
- Métodos de proteção: Para vida útil e aparência, ambas as classes geralmente recebem proteção de superfície, como pintura, galvanização, fosfatização ou galvanização (dependendo da geometria da peça e da tolerância requerida). Para ferramentas em ambientes úmidos ou corrosivos, aplicar revestimentos de superfície (PVD, CVD, nitretação para proteção contra desgaste/corrosão) ou usar aços inoxidáveis pode ser preferível.
- PREN (número equivalente de resistência à picada) não é aplicável a esses aços ferramenta não inoxidáveis, mas para referência: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice é usado para ligas inoxidáveis; não prevê de forma significativa o desempenho à corrosão para os aços ferramenta D2 ou S7.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade:
- S7: Mais fácil de usinar na condição recozida do que o D2 devido ao menor teor de carbonetos. Usina bem antes da têmpera; usinagem ou retificação pós-têmpera é necessária para tolerâncias finais.
- D2: A usinabilidade na condição recozida é razoável, mas pior do que muitos aços de baixa liga devido ao alto cromo e elementos formadores de carbonetos; na condição endurecida, o D2 é difícil de usinar e geralmente deve ser retificado em vez de cortado.
- Formabilidade e dobra:
- Ambas as classes são trabalháveis quando recozidas, mas a conformação a frio após a têmpera não é viável para nenhuma delas. A maior ductilidade do S7 na condição revenida lhe confere uma melhor margem contra trincas durante operações de conformação.
- Acabamento:
- O D2 geralmente requer retificação para geometria final e pode exigir mais frequente desgaste da roda devido aos carbonetos duros.
- O S7 é menos abrasivo nas ferramentas e acaba mais prontamente.
8. Aplicações Típicas
| S7 – Usos Típicos | D2 – Usos Típicos |
|---|---|
| Ferramentas de impacto: cinzéis, punções, cabeçotes de martelo, brocas de espadeiro, punções submetidas a carga de choque | Matérias-primas de trabalho a frio: matrizes de blanking e perfuração, lâminas de cisalhamento, facas de corte |
| Ferramentas que requerem alta tenacidade: brocas para rocha, ferramentas de cabeçote a frio, ferramentas de rebite | Ferramentas críticas para desgaste: matrizes para corte de materiais abrasivos, operações de conformação onde o desgaste domina |
| Componentes que podem ser retrabalhados ou reparados por soldagem ou brasagem mais facilmente | Ferramentas e cortadores de longa duração onde alta dureza e resistência ao desgaste prolongam a vida útil, apesar da fragilidade |
| Ferramentas de uso geral que necessitam de boa resistência ao choque e desgaste razoável | Ferramentas de precisão e aplicações de cisalhamento que requerem retenção de borda sustentada |
Racional de seleção - Escolha S7 quando as peças experimentarem choque repetido, impacto, dobra ou requererem tenacidade e reparabilidade em serviço. - Escolha D2 quando a resistência ao desgaste da superfície e da borda dominar o modo de falha e alta dureza puder ser tolerada (e se as peças forem retificadas em vez de soldadas).
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: O D2 é tipicamente mais caro do que o S7 em uma base por massa devido ao maior teor de liga (Cr, Mo, V) e processamento mais exigente; no entanto, o custo do ciclo de vida pode favorecer o D2 quando a extensão da vida útil da ferramenta reduz o tempo de inatividade e a frequência de substituição.
- Disponibilidade: Ambas as classes estão amplamente disponíveis de fornecedores de aços ferramenta em barra, chapa e estoque plano pré-endurecido. O D2 é comum em tiras e blanks pré-endurecidos para ferramentas, enquanto o S7 é comumente estocado em barras e tamanhos redondos para componentes resistentes a choque.
- Formas de produto: Para peças complexas ou grandes, os prazos de entrega e a forma da matéria-prima (forjamento vs. barra) podem influenciar significativamente o custo.
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumo
| Característica | S7 | D2 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (moderada; ainda requer controle) | Pobre (alto CE; difícil de soldar) |
| Equilíbrio entre Resistência e Tenacidade | Alta tenacidade, boa resistência ao impacto | Maior dureza e resistência ao desgaste, menor tenacidade |
| Custo | Moderado | Maior (maior teor de liga) |
Conclusão e recomendações - Escolha S7 se: - Seu modo de falha primário é impacto, choque ou fratura frágil e você precisa de uma classe que tolere desalinhamento, cargas de choque ou sobrecargas ocasionais. - Você valoriza a reparabilidade (soldagem/braze) e o manuseio mais fácil após o tratamento térmico. - Você precisa de um equilíbrio entre resistência e ductilidade para eventos de alta tensão intermitentes.
- Escolha D2 se:
- Sua necessidade primária é abrasão, desgaste deslizante ou retenção de borda em ferramentas de trabalho a frio e uma longa vida útil da ferramenta sob condições de desgaste é a maior prioridade.
- Você está preparado para especificar reparos por retificação ou não soldagem e pode controlar a fabricação para evitar soldas ou minimizar entradas de calor.
- O custo do ciclo de vida favorece um custo inicial de material e processamento mais alto em troca de uma vida útil em serviço prolongada.
Nota final: A escolha ideal depende do contexto. Especifique o tipo de carga esperada (impacto vs. desgaste), a estratégia de manutenção/reparo permitida, a abordagem de tolerância dimensional (usinagem vs. retificação) e a exposição ambiental para garantir que o aço selecionado e sua rota de tratamento térmico estejam alinhados com os requisitos funcionais. Sempre confirme as propriedades químicas e mecânicas com certificados de usina do fornecedor ou normas de material antes da especificação final.