H13 vs H11 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
H13 e H11 são dois dos aços para ferramentas de trabalho a quente mais amplamente utilizados na indústria. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente consideram H11 e H13 ao especificar matrizes, ferramentas de forjamento a quente, ferramentas de extrusão ou hardware de moldagem por injeção que devem resistir a altas temperaturas, choque térmico cíclico e desgaste abrasivo. O dilema da seleção geralmente gira em torno da troca entre resistência a altas temperaturas e dureza a quente versus tenacidade à fratura e resistência ao impacto/desgaste sob choque mecânico severo.
A principal distinção prática entre essas classes reside em seu equilíbrio de resistência e tenacidade a altas temperaturas: H13 é geralmente especificado onde a dureza a quente, resistência ao revenido e resistência à fadiga térmica são primordiais (por exemplo, fundição em molde, extrusão), enquanto H11 é frequentemente escolhido onde a tenacidade em massa melhorada sob choque e carregamento mecânico intermitente de alta tensão é mais importante. Ambos são aços para ferramentas de trabalho a quente com químicas base semelhantes, mas diferenças modestas em molibdênio e processamento levam a comportamentos mecânicos diferentes em serviço.
1. Normas e Designações
- Normas e designações comuns:
- ASTM/ASME: A681 (especifica aços para ferramentas AISI/UNS incluindo a série H)
- EN: EN X40CrMoV5-1 (equivalente a H13) e números EN semelhantes para variantes de H11
- JIS: SKD61 (equivalente aproximado a H13) e variantes SKD5/SKD9 às vezes comparadas a H11
- GB (China): Designações comparáveis são frequentemente usadas (por exemplo, designações diretas H13/H11 são comuns)
- Classificação:
- Tanto H13 quanto H11 são classificados como aços para ferramentas de trabalho a quente (aços para ferramentas ligadas). Eles não são aços inoxidáveis ou HSLA; são aços para ferramentas de carbono-ligados destinados a ferramentas de alta temperatura.
2. Composição Química e Estratégia de Ligações
Faixas de composição típicas (wt%) para H13 e H11 especificados comercialmente (faixas representativas de fichas de dados e normas comuns; valores exatos dependem da norma e do fornecedor):
| Elemento | H13 (wt% típico) | H11 (wt% típico) |
|---|---|---|
| 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 | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| S | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr | 4,75 – 5,50 | 4,75 – 5,50 |
| Ni | ≤ 0,30 (traço) | ≤ 0,30 (traço) |
| Mo | 1,10 – 1,75 | 0,80 – 1,20 |
| V | 0,80 – 1,20 | 0,60 – 1,20 |
| Nb (Cb) | traço | traço |
| Ti | traço | traço |
| B | traço | traço |
| N | traço | traço |
Como a liga afeta as propriedades: - O carbono e o cromo estabelecem principalmente a endurecibilidade, a capacidade de endurecimento martensítico e a resposta ao revenido. - O molibdênio aumenta a endurecibilidade, a resistência ao revenido (dureza vermelha) e contribui para a resistência a altas temperaturas — uma razão chave pela qual H13 (maior Mo) apresenta superior dureza a quente e resistência à fadiga térmica. - O vanádio promove o endurecimento por precipitação (VC), contribui para o endurecimento secundário e resistência ao desgaste. - O silício melhora a resistência e a resistência à oxidação em altas temperaturas. - Baixos níveis de Mn, P, S e elementos microaleantes em traço controlam a tenacidade e a limpeza.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - No estado recozido ou normalizado, ambas as classes apresentam uma matriz de martensita/ferrita temperada com finos carbonetos de liga (carbonetos contendo Cr e V). A distribuição de carbonetos e a fração de volume são influenciadas por C, Mo e V. - Após o resfriamento de uma temperatura de austenitização suficientemente alta (comumente 1000–1050 °C para essas classes) e subsequente revenido, a microestrutura é martensita temperada com carbonetos de liga e possível austenita retida se super-revenida ou resfriada lentamente.
Como os processos térmicos comuns os afetam: - Normalização: Refina a estrutura do grão; realizada antes do endurecimento final para homogeneizar a microestrutura e remover segregação. - Resfriamento e revenido: Ambos respondem bem a ciclos convencionais de resfriamento e revenido. O maior Mo de H13 aumenta a endurecibilidade e eleva a resistência ao revenido (dureza retida em temperaturas de revenido mais altas). H11, com um pouco menos de Mo, tende a alcançar dureza comparável, mas pode mostrar tenacidade retida ligeiramente maior após revenido otimizado. - Processamento termo-mecânico: O forjamento e a laminação controlada antes da normalização podem melhorar a tenacidade ao quebrar carbonetos grosseiros e refinar o tamanho do grão de austenita anterior. Isso é frequentemente usado para grandes forjados de matrizes ou ferramentas pesadas para maximizar a resistência à fratura.
Efeito no desempenho: - A microestrutura de H13 com mais Mo suporta maior dureza vermelha e resistência ao amolecimento em temperaturas de serviço elevadas. - A microestrutura de H11 pode ser ajustada (através de revenido e processamento termo-mecânico) para maximizar a tenacidade em massa e resistência à propagação de trincas.
4. Propriedades Mecânicas
Faixas típicas de propriedades após resfriamento e revenido (os valores variam conforme o nível de revenido e o fornecedor; as faixas citadas são representativas de condições comuns de HT):
| Propriedade | H13 (faixa típica) | H11 (faixa típica) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 1.000 – 1.900 | 900 – 1.700 |
| Resistência ao escoamento (MPa) | 800 – 1.500 | 700 – 1.300 |
| Alongamento (%) | 6 – 12 | 6 – 14 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V-notch, J) | 15 – 45 | 20 – 60 |
| Dureza (HRC, resfriado e revenido) | 40 – 54 | 40 – 52 |
Interpretação: - Resistência: Ambas as classes podem alcançar resistências elevadas semelhantes após tratamento térmico adequado, mas H13 é comumente selecionado quando maior resistência retida a altas temperaturas é necessária. - Tenacidade: H11 geralmente demonstra tenacidade em massa e resistência ao impacto um pouco mais altas em condições de dureza comparáveis. A diferença é ampliada quando as ferramentas são projetadas para carregamento de choque pesado ou impactos mecânicos repetidos. - Ductilidade: Comparável; H11 pode mostrar uma vantagem modesta em alongamento à fratura dependendo do revenido e do processamento.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é ditada pelo equivalente de carbono e pelas contribuições de ligações para a endurecibilidade e suscetibilidade a trincas a frio.
Fórmulas empíricas úteis: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (mais sensível à tendência de trincas): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Tanto H13 quanto H11 têm carbono moderado e ligações significativas (Cr, Mo, V) que aumentam a endurecibilidade; portanto, ambos são considerados moderadamente difíceis de soldar na condição não revenida. Pré-aquecimento, controle da temperatura entre passes e tratamento térmico pós-solda (PWHT) são tipicamente necessários para evitar trincas. - O maior Mo de H13 e frequentemente um CE ligeiramente mais alto tendem a torná-lo marginalmente mais suscetível ao endurecimento e trincas na zona afetada pelo calor (HAZ), portanto, a prática de soldagem deve ser mais conservadora (pré-aquecimento mais alto, resfriamento controlado, PWHT). - H11, com teor de Mo ligeiramente mais baixo, é marginalmente mais fácil de soldar, mas ainda requer precauções padrão para aços para ferramentas (pré-aquecimento, baixa entrada de calor, PWHT) e o uso de metais de enchimento combinados ou especializados.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, H13 ou H11, é inoxidável; ambos estão sujeitos à corrosão em ambientes úmidos ou corrosivos. Métodos típicos de proteção incluem:
- Pintura ou revestimentos poliméricos
- Passivação química (eficácia limitada nesses aços de liga)
- Galvanização localizada é incomum para ferramentas porque os revestimentos podem afetar as tolerâncias e o desempenho.
- Engenharia de superfície (nitruração, revestimentos PVD, revestimentos cerâmicos ou DLC) é comumente usada para melhorar a resistência ao desgaste e à corrosão da superfície.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) só é significativo para ligas inoxidáveis; por exemplo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice não se aplica a H11/H13 porque são aços para ferramentas não inoxidáveis.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- No estado recozido, ambas as classes são usináveis com ferramentas padrão de aço rápido ou carboneto. H13, com um pouco mais de Mo e mais carbonetos secundários, pode ser marginalmente mais abrasivo para as ferramentas e pode reduzir a vida útil da ferramenta em comparação com H11 em condições equivalentes.
- Quando endurecidas, ambas são desafiadoras para usinar; EDM, moagem e usinagem abrasiva são métodos de acabamento típicos.
- Formabilidade:
- A conformação a quente (forjamento) é prática padrão para grandes matrizes. Ambas respondem bem ao trabalho a quente quando temperaturas e taxas de deformação apropriadas são usadas.
- A conformação a frio é limitada devido ao teor de carbono e ao risco de trincas.
- Acabamento:
- Ambas aceitam tratamentos de endurecimento de superfície (nitruração, endurecimento por indução para áreas seletivas) e revestimentos PVD/CVD. A melhor resistência ao revenido de H13 torna-o uma plataforma ligeiramente melhor para revestimentos usados em altas temperaturas.
8. Aplicações Típicas
| H13 – Usos Típicos | H11 – Usos Típicos |
|---|---|
| Matrizes de forjamento a quente (forjamento por prensa, forjamento em matriz) onde a fadiga térmica e a dureza a quente são críticas | Matrizes e ferramentas de forjamento pesado onde a tenacidade em massa e a resistência ao choque mecânico são priorizadas |
| Ferramentas de fundição em molde e inserções de núcleo (alta fadiga térmica, dureza vermelha) | Matrizes grandes e de seção grossa para forjamento onde o risco de lascas e propagação de trincas é alto |
| Matrizes de extrusão e lâminas de corte expostas a altas temperaturas | Revestimentos e ferramentas para operações propensas a impactos; aplicações onde a reparabilidade da ferramenta e a tenacidade são importantes |
| Moldes de trabalho a quente para plásticos e borracha sob alta ciclagem térmica | Aplicações que requerem maior resistência a falhas frágeis catastróficas |
Racional de seleção: - Escolha H13 quando a exposição repetida a altas temperaturas, ciclagem térmica e resistência ao amolecimento (resistência ao revenido) forem as preocupações dominantes. - Escolha H11 quando o serviço incluir impacto mecânico pesado, grandes seções transversais propensas a tensões internas, ou onde maximizar a tenacidade em massa da fratura for a prioridade.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: H13 é amplamente produzido e estocado globalmente; seu maior teor de molibdênio pode torná-lo ligeiramente mais caro que H11 por kg, mas os preços dependem do fornecedor e do mercado. H11 pode ser marginalmente menos custoso onde o estoque e a oferta local favorecem.
- Disponibilidade por forma de produto:
- Barras, blocos, placas, forjados e placas pré-endurecidas estão comumente disponíveis para ambas as classes. H13 é talvez a classe de trabalho a quente mais comumente estocada em todo o mundo, portanto, os prazos de entrega e a variedade de formas são frequentemente melhores para H13.
- Para grandes forjados personalizados, os prazos de fornecimento dependem mais do tratamento térmico e das casas de forjamento do que da classe de material base.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | H13 | H11 |
|---|---|---|
| Soldabilidade (relativa) | Moderada–difícil (requer pré-aquecimento, PWHT) | Moderada (ligeiramente mais fácil que H13, mas ainda requer cuidado) |
| Resistência – Dureza a quente | Alta (melhor dureza vermelha, resistência ao revenido) | Boa (ligeiramente menor resistência a altas temperaturas) |
| Tenacidade – Resistência ao choque/desgaste | Boa | Melhor (geralmente maior tenacidade em massa à fratura) |
| Custo | Moderado–mais alto (devido ao teor de Mo) | Moderado–mais baixo (geralmente ligeiramente mais barato) |
Recomendações: - Escolha H13 se: - Sua ferramenta opera em altas temperaturas por ciclos prolongados e precisa de boa dureza vermelha e resistência ao amolecimento térmico (por exemplo, fundição em molde, extrusão, corte a quente). - A fadiga térmica e a resistência ao amolecimento sob aquecimento cíclico são os principais modos de falha. - Escolha H11 se: - A ferramenta ou matriz estiver sujeita a choque mecânico pesado, impacto, ou onde prevenir fraturas frágeis e lascas for a principal preocupação (grandes matrizes de forjamento, ferramentas propensas a choque). - Você prioriza a tenacidade à fratura e a facilidade de reparabilidade em relação à retenção máxima de dureza em altas temperaturas.
Nota final: O desempenho prático de qualquer uma das classes depende fortemente da qualidade do fornecimento, limpeza, processamento termo-mecânico anterior e do exato cronograma de tratamento térmico. Para ferramentas críticas, especifique a tenacidade necessária, a faixa de dureza aceitável e qualquer prática de tratamento térmico pós-solda nos documentos de aquisição e consulte os fornecedores de aço para obter certificações de fábrica e ciclos térmicos recomendados adaptados à aplicação.