P20 vs NAK80 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

P20 e NAK80 são dois aços para moldes e ferramentas amplamente utilizados para ferramentas de injeção de plástico e fundição sob pressão. Engenheiros, equipes de compras e planejadores de manufatura comumente ponderam as compensações entre o custo total da peça, a vida útil da ferramenta, o acabamento superficial e a manutenção ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de seleção incluem: escolher um material econômico para ferramentas de grande volume (onde a tenacidade e a usinabilidade dominam) versus escolher um aço para moldes com capacidade de inox para peças de alto brilho ou sensíveis à corrosão (onde o acabamento superficial e a passivação são importantes).

A principal diferença prática que impulsiona muitas decisões de design é o comportamento da superfície: NAK80 é projetado para oferecer uma retenção superior do acabamento superficial, resistência à corrosão e aparência polida para peças plásticas de alto brilho, enquanto P20 é um aço para moldes pré-endurecido mais convencional, otimizado para acessibilidade, usinabilidade e tenacidade de uso geral. Como ocupam espaços de aplicação sobrepostos (bases de moldes, cavidades, inserções de núcleo), os projetistas comparam rotineiramente os dois em relação à estética da peça final, manutenção do molde e restrições do ambiente de produção.

1. Normas e Designações

• P20
• Designações comuns: AISI/SAE P20, DIN 1.2312 (equivalentes próximos), vários nomes comerciais de fornecedores (aço para moldes pré-endurecido).
• Classificação: Aço para ferramentas de liga, tipicamente fornecido em condição pré-endurecida.
• NAK80
• Designações comuns: Nome comercial (NAK80) usado por vários fornecedores japoneses e globais; às vezes referenciado como uma classe de aço para moldes inoxidável martensítico.
• Classificação: Aço para ferramentas/moldes inoxidável martensítico (aço para moldes inoxidável).

As normas aplicáveis a serem verificadas nos certificados de fábrica e pedidos de compra incluem especificações ASTM/ASME para aços para moldes e as normas nacionais relevantes (EN, JIS, GB) para ferramentas e aços para ferramentas inoxidáveis. Sempre confirme as designações e certificados específicos do fornecedor, pois os nomes comerciais variam entre os produtores.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir apresenta faixas de composição nominal representativas amplamente citadas em fichas técnicas de fornecedores. Esses valores são destinados a faixas típicas—sempre verifique os certificados específicos da fábrica para aquisição.

Elemento	P20 (faixa nominal típica, wt%)	NAK80 (faixa nominal típica, wt%)
C	0.25–0.35	0.03–0.12
Mn	0.35–0.60	0.10–0.60
Si	0.20–0.35	0.10–0.80
P	≤0.03	≤0.025
S	≤0.03	≤0.020
Cr	1.30–1.60	11.0–13.5
Ni	0.30–0.60	1.0–4.0
Mo	0.30–0.50	0.30–0.60
V	traço–pequeno	traço
Nb (Cb)	—	traço
Ti	—	traço
B	—	traço
N	—	traço (em variantes inoxidáveis)

Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: principal contribuinte para a endurecibilidade e resistência. O maior teor de carbono do P20 (em relação às variantes inoxidáveis de baixo carbono) suporta maior dureza e resistência ao desgaste após têmpera/tempera, mas aumenta o risco de trincas na ZTA durante a soldagem. O NAK80 é frequentemente mantido com menor teor de carbono para equilibrar a resistência à corrosão e evitar fragilidade excessiva. - Cromo e níquel: No NAK80, o aumento de Cr e Ni proporciona comportamento inoxidável/passivo e melhora a resistência à corrosão e polibilidade. No P20, Cr e Ni modestos melhoram a endurecibilidade e resistência, mas não conferem propriedades inoxidáveis. - Molibdênio e vanádio: Melhoram a endurecibilidade, endurecimento secundário, resistência ao creep e estabilidade de carbonetos — benéfico para ambas as classes para aumentar a resistência ao desgaste. - Outros microaliagens (Nb, Ti, B): Refinam o tamanho do grão e controlam a precipitação; em aços para ferramentas inoxidáveis, esses elementos estão frequentemente presentes em quantidades traço para controlar as propriedades.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura (típica): - P20: Martensita temperada com finos carbonetos de liga (carbonetos de Cr/Mo). Frequentemente fornecido pré-endurecido (por exemplo, ~28–32 HRC) em estado normalizado e temperado; microestrutura otimizada para usinabilidade e tenacidade. - NAK80: Matriz inoxidável martensítica com carbonetos ricos em cromo e uma camada superficial de óxido de cromo passivo quando polido; frequentemente produzido em condição pré-endurecida adequada para polimento e resistência à corrosão.

Resposta ao tratamento térmico: - P20: - Pode ser fornecido pré-endurecido; se endurecido e temperado, ciclos de têmpera e tempera produzem martensita temperada. A normalização refina o tamanho do grão. - Nitratação é comumente aplicada para dureza superficial e resistência ao desgaste; o comportamento de nitratação depende dos elementos de liga formadores de nitreto (por exemplo, V, Cr). - NAK80: - O tratamento térmico visa equilibrar dureza com características inoxidáveis. As rotas típicas incluem recozimento em solução e têmpera seguidos de tempera; controle cuidadoso é necessário para evitar sensibilização e manter a resistência à corrosão. - O comportamento inoxidável complica tratamentos em altas temperaturas; as janelas de aquecimento para tempera diferem de aços de liga de carbono e podem exigir vácuo ou atmosfera controlada para evitar descarbonização e oxidação.

O processamento termo-mecânico pode influenciar o tamanho do grão e a distribuição de carbonetos; para ambos os aços, um controle de processo mais rigoroso resulta em melhor polibilidade e dureza mais uniforme.

4. Propriedades Mecânicas

A tabela abaixo lista faixas típicas de propriedades para condições pré-endurecidas e estados tratados termicamente comumente fornecidos. Verifique com os certificados do fornecedor para números exatos.

Propriedade	P20 (típico)	NAK80 (típico)
Resistência à Tração (MPa)	800–1100	700–1000
Resistência ao Esforço (0.2% offset, MPa)	600–900	500–850
Alongamento (%)	10–18	8–18
Tenacidade ao Impacto (Charpy, J)	moderada (depende do tempero)	moderada a boa (depende da condição)
Dureza (HRC)	28–32 (pré-endurecido), pode ser tratado termicamente mais alto	30–36 (variantes inoxidáveis pré-endurecidas)

Interpretação: - Resistência: P20 em condições pré-endurecidas comparáveis geralmente fornece resistência nominal ligeiramente superior atribuível ao maior teor de carbono e sua mistura de liga; no entanto, o tratamento térmico pode estreitar as diferenças. - Tenacidade/ductilidade: Ambas as classes trocam dureza por tenacidade; as formulações de P20 tendem a priorizar tenacidade de uso geral e usinabilidade, enquanto NAK80 é equilibrado para polibilidade e resistência à corrosão com tenacidade adequada. - As faixas de dureza se sobrepõem; a classe escolhida deve alinhar-se com a resistência ao desgaste necessária e as metas de acabamento superficial final.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do equivalente de carbono e do teor de liga. O uso de fórmulas de equivalente de carbono ajuda a avaliar a suscetibilidade a trincas na ZTA e os requisitos de pré-aquecimento/pós-aquecimento.

Fórmulas comuns: - Equivalente de carbono IIW (guia qualitativa): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Equivalente de carbono eletrotécnico internacional (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: - P20: O maior teor de carbono e a presença de Mo/Cr elevam os números de equivalente de carbono em relação aos aços de baixo carbono, aumentando a suscetibilidade ao endurecimento da ZTA e trincas a frio, a menos que procedimentos de pré-aquecimento e tempera pós-soldagem apropriados sejam utilizados. O P20 frequentemente requer procedimentos de soldagem controlados ou uso de metais de enchimento compatíveis de baixo hidrogênio. - NAK80: Como um aço inoxidável martensítico, o teor de Cr e Ni do NAK80 altera o comportamento de soldabilidade; martensíticos inoxidáveis podem ser propensos a trincas na ZTA e no metal de solda se não forem pré-aquecidos e se as temperaturas entre passes e taxas de resfriamento não forem controladas. O níquel melhora a soldabilidade até certo ponto, mas a matriz inoxidável requer seleção cuidadosa do enchimento e frequentemente tratamento térmico pós-soldagem para recuperar tenacidade e resistência à corrosão. - Na prática: Ambas as classes podem ser soldadas, mas planos de soldagem (pré-aquecimento, temperatura entre passes, tempera pós-soldagem) e metais de enchimento qualificados são essenciais. Para superfícies criticamente estéticas, áreas soldadas devem ser evitadas ou retificadas e repolidas.

6. Corrosão e Proteção Superficial

• P20: Não inoxidável. A proteção contra corrosão superficial é tipicamente necessária onde há presença de umidade ou ambientes corrosivos. As proteções comuns incluem:
• Pintura, galvanização ou revestimentos locais (PVD/CVD) em superfícies acabadas.
• A galvanização não é típica para ferramentas; em vez disso, a nitratação ou revestimentos superficiais (TiN, CrN) são usados para aumentar a resistência ao desgaste e reduzir a iniciação de corrosão por picotamento.
• NAK80: Aço inoxidável martensítico que proporciona passividade e resistência melhorada à corrosão em comparação com P20 quando polido e mantido. Para caracterização inoxidável, índices de corrosão como PREN (número equivalente de resistência ao picotamento) são comumente usados para classes austeníticas e duplex: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Nota: PREN é menos diretamente aplicável a aços para moldes inoxidáveis martensíticos como NAK80, mas a fórmula ilustra como o teor de Cr/Mo/N se correlaciona com a resistência ao picotamento. O teor de cromo do NAK80 e o acabamento superficial são os principais contribuintes para sua superior resistência a manchas e corrosão em serviço.
• Consequência prática: Para peças plásticas de alto brilho e moldes operando em ambientes úmidos ou corrosivos, o NAK80 reduz manchas e necessidades de manutenção; o P20 requer estratégias de proteção (revestimentos, ambiente controlado) para manter a qualidade da superfície.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade:
• P20: Boa usinabilidade no estado pré-endurecido; amplamente utilizado porque é facilmente usinado para tolerâncias apertadas e tem boa usinabilidade em EDM. Ferramentas de carboneto e práticas padrão de resfriamento são suficientes.
• NAK80: Geralmente boa usinabilidade para aços para ferramentas inoxidáveis, mas tendências de trabalho a frio e comportamento de liga inoxidável requerem geometria de ferramenta otimizada, velocidades de corte e resfriamento. O acabamento superficial alcançável é excelente com ferramentas adequadas.
• Formabilidade e dobra: Ambos são aços para ferramentas—ductilidade limitada em relação a aços macios. A conformação é tipicamente realizada antes da têmpera/tempera final. Evite conformação pesada após a têmpera.
• Acabamento superficial e polimento:
• Este é um diferencial chave. O NAK80 polido atinge um acabamento espelhado mais facilmente e mantém uma aparência de alto brilho devido à sua matriz inoxidável e distribuição fina de carbonetos. O P20 pode ser polido para um bom acabamento, mas é mais suscetível a manchas, oxidação e requer revestimentos ou manutenção adicionais para preservar acabamentos de alto brilho.

8. Aplicações Típicas

P20 — Usos Típicos	NAK80 — Usos Típicos
Cavidades e núcleos de moldes de injeção de uso geral para aparência superficial não crítica	Cavidades de moldes de injeção de alto brilho para peças ópticas, médicas e de consumo
Grandes bases de moldes e componentes estruturais onde custo e usinabilidade dominam	Ferramentas propensas à corrosão (ambientes úmidos) ou moldes que requerem retenção de polimento a longo prazo
Prototipagem e produção de baixo a médio volume onde usinagem e EDM expedientes são necessárias	Moldes de múltiplos componentes onde acabamento superficial e estética da peça são prioridades
Ferramentas que requerem nitratação subsequente ou revestimentos PVD para resistência ao desgaste	Moldes de precisão onde o desempenho inoxidável reduz a manutenção e manchas

Racional de seleção: - Escolha P20 para equilíbrio de custo, disponibilidade e usinabilidade quando a aparência final da peça não é crítica ou quando revestimentos/nitratação podem ser aplicados. - Escolha NAK80 para peças de alto brilho, redução de manchas e onde a resistência à corrosão na ferramenta é necessária para manter a aparência e reduzir o tempo de inatividade para manutenção.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo:
• P20 é tipicamente menos caro por quilograma do que NAK80 devido ao menor teor de liga e ampla oferta de commodities. É uma escolha econômica para grandes moldes e onde existem restrições orçamentárias.
• NAK80 tem um preço premium devido ao maior teor de liga (Cr, Ni) e processamento para propriedades inoxidáveis; espere custos de material mais altos e, às vezes, custos de processamento mais altos para tratamento térmico e acabamento.
• Disponibilidade:
• P20 está amplamente disponível em placas, blocos e barras pré-endurecidas de muitos fornecedores e é comum em oficinas de moldes.
• NAK80 é amplamente produzido, mas a disponibilidade em tamanhos de placas muito grandes ou dimensões não padrão pode ser mais restrita do que a do P20; os prazos de entrega podem ser mais longos dependendo dos requisitos de espessura e acabamento.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumo (qualitativa):

Atributo	P20	NAK80
Soldabilidade	Boa com controles; CE mais alto requer cuidado	Desafiador; procedimento de soldagem inoxidável e PWHT frequentemente necessários
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Forte e tenaz no estado pré-endurecido	Bom equilíbrio, mas otimizado para polimento e resistência à corrosão
Custo	Mais baixo (mais econômico)	Mais alto (liga inoxidável premium)

Recomendações: - Escolha P20 se: - O orçamento e a rápida usinagem/turnaround de EDM são prioridades. - A peça não requer um acabamento de alto brilho ou está protegida/revestida. - Grandes bases de moldes ou componentes com usinagem pesada são necessários. - Escolha NAK80 se: - Alto acabamento superficial, retenção de polimento e resistência à corrosão são críticos (óptica, médica, peças de consumo de alto brilho). - Você deseja reduzir a manutenção da ferramenta para materiais propensos a manchas ou ambientes de produção úmidos. - O custo premium é justificado pela redução de retrabalho, maior vida útil do polimento ou melhor qualidade estética das peças moldadas.

Nota final: A seleção de material deve ser validada comparando fichas técnicas de fornecedores, realizando testes de polimento de amostras sob condições de processo esperadas e levando em conta procedimentos de soldagem/reparo e tratamentos de superfície. Quando o acabamento superficial ou a resistência à corrosão impulsionam a aceitação da peça, é fortemente recomendada a ferramenta de teste com o material final e o regime de polimento.