SKH9 vs M2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam a escolha entre dois aços de ferramenta de alta velocidade muito semelhantes para corte, conformação e ferramentas resistentes ao desgaste: um grau de alta velocidade designado pela JIS e o grau AISI/SAE amplamente referenciado. O dilema da seleção geralmente gira em torno da especificação de fornecimento e conformidade com padrões, bem como requisitos de processamento e pós-solda—compromissos entre disponibilidade, prática de tratamento térmico e custo de processamento secundário frequentemente impulsionam a decisão, em vez de diferenças significativas no desempenho básico.
Ambos os graus são aços de alta velocidade projetados para ferramentas de corte trabalhadas a quente e aplicações de usinagem a frio/quente. Eles são frequentemente comparados porque suas composições nominais e propriedades resultantes se sobrepõem de perto: um é fornecido sob uma especificação nacional japonesa e o outro sob convenções de aço para ferramentas norte-americanas/internacionais. Na prática, os fatores decisivos são a conformidade com os padrões, as instruções de tratamento térmico e a disponibilidade de formas, em vez de diferenças metalúrgicas substanciais.
1. Padrões e Designações
- AISI/SAE/ASTM: AISI/SAE M2 (referência internacional comum para este tipo de aço de alta velocidade; frequentemente coberto em folhas de dados de aço para ferramentas ASTM).
- JIS: SKH9 (Padrão Industrial Japonês para um aço de alta velocidade equivalente).
- EN/DIN: Existem designações EN/DIN comparáveis (comumente apresentadas como HS6-5-2 ou graus de aço para ferramentas EN semelhantes; o rótulo exato da EN varia de acordo com o país e a família de ligas específica).
- GB (China): Normas chinesas listam aços para ferramentas com composições químicas semelhantes (numeração/rótulos diferentes).
- Classificação: Tanto SKH9 quanto M2 são aços de ferramenta de alta velocidade (HSS), ou seja, aços para ferramentas/ligas formulados para resistência ao calor, resistência ao desgaste e tenacidade em temperaturas elevadas. Eles não são aços inoxidáveis.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir lista as faixas de composição típicas para cada grau. Os valores são apresentados como faixas típicas; a análise certificada real deve ser obtida do fabricante ou fornecedor para compras e testes de aceitação.
| Elemento | SKH9 (típico, % em peso) | M2 (típico, % em peso) |
|---|---|---|
| C | 0.85–1.05 | 0.85–1.05 |
| Mn | 0.15–0.40 | 0.15–0.40 |
| Si | 0.20–0.45 | 0.20–0.45 |
| P | ≤0.03 (máx) | ≤0.03 (máx) |
| S | ≤0.03 (máx) | ≤0.03 (máx) |
| Cr | 3.5–4.5 | 3.75–4.50 |
| Ni | — (traço) | ≤0.3 (traço) |
| Mo | 4.2–5.5 | 4.5–5.5 |
| V | 1.8–2.2 | 1.75–2.20 |
| Nb | — (traço) | — (traço) |
| Ti | — (traço) | — (traço) |
| B | — | — |
| N | — | — |
| W (Tungstênio) | 5.5–6.75 | 5.5–6.75 |
Notas: - Ambos os graus são ligados com W e Mo relativamente altos para dureza a quente e formação de carbonetos complexos; V promove carbonetos MC do tipo duro e estável que melhoram a resistência ao desgaste. - Elementos menores (Nb, Ti, B, N) estão geralmente em níveis de traço ou não são adicionados deliberadamente, exceto em variantes especiais (por exemplo, metalurgia do pó ou HSS modificado). - A estratégia de liga enfatiza alta temperabilidade e carbonetos estáveis em vez de resistência à corrosão: alto W/Mo + Cr + V resulta em carbonetos complexos M6C/M2C e MC para resistência ao desgaste e dureza a quente.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura típica: - Tanto SKH9 quanto M2 desenvolvem matrizes de martensita temperada contendo uma distribuição de carbonetos duros: carbonetos complexos ricos em tungstênio e molibdênio (frequentemente descritos como tipos M6C/M2C) e carbonetos MC ricos em vanádio. O tamanho e a distribuição dos carbonetos dependem fortemente da fusão, solidificação e prática de forjamento/laminação.
Comportamento do tratamento térmico: - Austenitização: Aços de alta velocidade requerem altas temperaturas de austenitização para dissolver a fração de carboneto necessária e obter o carbono da matriz desejada em solução. As faixas típicas de austenitização para esta família são altas (comumente na faixa de $1180^\circ\text{C}$ a $1250^\circ\text{C}$), mas as temperaturas exatas são retiradas das tabelas de tratamento térmico do fornecedor. - Resfriamento: O resfriamento em óleo ou gás é usado para formar martensita; devido ao alto teor de liga, a austenita retida pode ser significativa e é frequentemente controlada por tratamento criogênico se uma menor austenita retida for necessária. - Têmpera: Vários ciclos de têmpera (dois ou três) em temperaturas intermediárias (frequentemente na faixa de $520^\circ\text{C}$–$600^\circ\text{C}$, dependendo da dureza alvo) estabilizam a matriz e precipitam carbonetos secundários. O cronograma de têmpera determina o compromisso final entre dureza e tenacidade. - Normalização/recocimento: Para usinagem ou conformação, um recocimento suave (mantendo a uma temperatura para esferoidizar carbonetos, resfriamento lento) é usado para reduzir a dureza e melhorar a usinabilidade.
Diferenças: - Metalurgicamente, os dois graus respondem de maneira muito semelhante. As diferenças observadas na prática geralmente decorrem de processamento específico (rota de fusão, forjamento/laminação, cronogramas de recocimento/normalização) e das recomendações de tratamento térmico do fornecedor, em vez de um contraste composicional intrínseco.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dos aços de alta velocidade dependem tanto do tratamento térmico que os números são melhor citados como faixas típicas para condições comuns. A tabela abaixo mostra faixas representativas para condições de recozimento e para condições endurecidas e temperadas.
| Propriedade | Condição típica recozida (representativa) | Condição típica endurecida & temperada (representativa) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 700–1000 | 1500–2200 |
| Resistência ao escoamento (MPa) | ~400–700 | 1000–1600 |
| Alongamento (%) | 8–18 | 2–8 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, J) | 20–40 (recozido) | 2–20 (depende da têmpera) |
| Dureza (HRC) | 28–34 (recozido) | 60–67 HRC (condição de ferramenta de alta velocidade) |
Interpretação: - Tanto SKH9 quanto M2 podem ser endurecidos para altos valores de HRC típicos de HSS (60–67 HRC), com correspondente resistência à tração muito alta e baixa ductilidade. - O material recozido é usinável e significativamente mais resistente/mais dúctil do que a condição endurecida. - As diferenças em resistência e tenacidade entre SKH9 e M2 em condições equivalentes de tratamento térmico são geralmente pequenas; o desempenho prático refletirá a distribuição de carbonetos e a execução do tratamento térmico.
5. Soldabilidade
Aços de alta velocidade com teor de carbono e liga relativamente altos são intrinsecamente ruins a desafiadores para soldar. Dois preditores de soldabilidade composicional comumente usados são:
-
Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (Dai): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Tanto SKH9 quanto M2 produzem valores relativamente altos de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ devido aos seus conteúdos de carbono, cromo, molibdênio, tungstênio e vanádio. Isso indica alta temperabilidade e suscetibilidade a trincas a frio e formação de martensita quebradiça na HAZ. - Consequências práticas: soldar aços HS requer pré-aquecimento rigoroso, temperatura de interpassagem controlada, uso de materiais de enchimento compatíveis e têmpera pós-solda. Para ferramentas críticas, a soldagem é frequentemente evitada em favor de brasagem, união mecânica ou usinagem de reconstrução completa de blanks de reposição. - Se a soldagem for necessária, consulte as especificações de procedimentos de soldagem do fornecedor e realize soldas de qualificação com tratamento térmico pós-solda completo.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, SKH9 ou M2, é uma liga inoxidável. A resistência à corrosão é limitada àquela fornecida pelo conteúdo de Cr, mas é insuficiente para exposição a ambientes agressivos.
- Estratégias de proteção comuns: pintura, revestimento, revestimentos de deposição a vapor (TiN, TiAlN), nitretação, jateamento de granalha ou galvanização para aplicações não relacionadas a ferramentas. Para ferramentas de corte e conformação, a engenharia de superfície (revestimentos, endurecimento de superfície) é o principal método de proteção e extensão da resistência ao desgaste.
- PREN não é aplicável a esses aços para ferramentas não inoxidáveis, mas para clareza, o índice de corrosão inoxidável é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Use graus resistentes à corrosão (aços inoxidáveis para ferramentas ou outras ligas) quando a resistência à corrosão for um requisito primário; caso contrário, proteja HSS com revestimentos e armazenamento controlado.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Usinabilidade: Na condição recozida (macia), ambos os graus são razoavelmente usináveis para operações de desbaste e acabamento. Na condição endurecida, retificação e EDM são métodos típicos para moldagem.
- Corte e retificação: O alto teor de liga e os carbonetos duros aumentam o desgaste abrasivo em ferramentas de corte/retificação; use diamante ou CBN onde apropriado para alta produtividade.
- Conformabilidade: A conformação a frio é limitada; a conformação a quente ou usinagem de blanks é prática padrão. A dobra/conformação de material recozido é viável, mas o risco de retorno e trincas aumenta com o teor de carbono/ligas.
- Acabamento de superfície: Polimento e adesão de revestimentos se beneficiam da distribuição controlada de carbonetos e boa prática de tratamento térmico.
8. Aplicações Típicas
| SKH9 (JIS) — Usos Típicos | M2 (AISI/SAE) — Usos Típicos |
|---|---|
| Ferramentas de corte de alta velocidade em cadeias de suprimento domésticas/regional: brocas, machos, fresas, alargadores, brochas | Produção global de ferramentas de corte HSS: brocas helicoidais, fresas de extremidade, machos, lâminas, cortadores de engrenagem |
| Blank e hastes de ferramentas usadas onde especificações japonesas são exigidas | Ferramentas padronizadas onde especificações internacionais ou norte-americanas são exigidas |
| Corte a frio e algum corte a quente onde a aquisição local e a conformidade com especificações são priorizadas | Uso industrial amplo, blanks de ferramentas de reposição e aplicações de HSS carburizado; disponível em muitas formas, incluindo variantes PM |
Racional de seleção: - Ambos os graus são escolhidos por resistência ao desgaste e dureza a quente. Escolha com base na disponibilidade local, certificação necessária (JIS vs AISI/ASTM) e se os fornecedores a montante esperam material em uma especificação em vez da outra. - Para desgaste extremo ou propriedades especializadas, considere HSS de metalurgia do pó ou substitutos de carboneto.
9. Custo e Disponibilidade
- Fatores de custo: preços de mercado de tungstênio e molibdênio, método de produção (fundido convencional vs metalurgia do pó) e requisitos de certificação/rastreabilidade.
- Disponibilidade: M2 é globalmente estabelecido e amplamente estocado por distribuidores internacionais; SKH9 é comum em regiões onde JIS é a norma de aquisição e pode ser favorecido por usinas domésticas.
- Formas de produto: ambos estão disponíveis como barras, blanks e chapas de aço para ferramentas; variantes PM-M2 (metalurgia do pó) têm um preço premium, mas oferecem melhor tenacidade e distribuição uniforme de carbonetos.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Critério | SKH9 | M2 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Ruim; precisa de pré-aquecimento/têmpera pós-solda | Ruim; precisa de pré-aquecimento/têmpera pós-solda |
| Resistência–Tenacidade (condição HT) | Alta dureza e resistência ao desgaste; tenacidade típica para HSS | Alta dureza e resistência ao desgaste; tenacidade típica para HSS |
| Custo & Disponibilidade | Facilmente disponível em regiões que usam JIS; preços competitivos regionalmente | Amplamente disponível internacionalmente; grau de referência padrão para HSS |
Recomendação: - Escolha SKH9 se você precisar de conformidade com padrões nacionais japoneses, estiver adquirindo dentro de cadeias de suprimento que especificam designações JIS, ou se o fornecedor fornecer tratamento térmico e certificação personalizados que se ajustem ao seu processo. - Escolha M2 se você precisar de um grau internacional amplamente reconhecido com ampla disponibilidade a montante, documentação padrão AISI/ASTM e facilidade de aquisição de distribuidores globais. M2 é frequentemente a escolha preferida quando a aquisição transfronteiriça ou o fornecimento de múltiplas fontes é importante.
Nota de fechamento: Metalurgicamente, SKH9 e M2 são essencialmente aços de alta velocidade equivalentes; as diferenças de desempenho em serviço são tipicamente impulsionadas pelo tratamento térmico, controle de carbonetos, rota de fabricação e tratamento de superfície, em vez de uma química fundamentalmente diferente. Para aplicações críticas de ferramentas, obtenha certificados do fabricante, exija instruções de tratamento térmico do fornecedor e qualifique o desempenho real do lote com testes de dureza, microestrutura e, quando necessário, testes de tenacidade.