Revolutionary Tooling Solutions: The Magic of Aço para ferramentas

Tool steel is a special type of steel that is designed to withstand the extreme forces and temperatures involved in shaping, cutting, extruding, and forming metal. The unique properties of tool steels make them an indispensable material for toolmakers, allowing them to create precision tools, molds, dies, and machine parts that would be impossible with other materials. From the drills that pull oil and gas from miles underground, to the molds that shape delicate glassworks—tool steels are the unsung heroes behind many of the manufactured items we rely on every day.

In this article, we’ll explore what makes tool steels so exceptional, how they are produced, the different types and their specialized applications, how tooling engineers select the optimal steel, and the future possibilities opened up by advances in tool steel technology. Discover how this versatile metal helps build our world while pushing the boundaries of what’s possible in manufacturing.

An Introduction to Tool Steels

Tool steels refer to a variety of carbon and alloy steels that are specifically formulated to withstand the demands of being made into tools. Their key characteristics include:

Dureza: Tool steels obtain high hardness and strength through the addition of alloying elements like tungsten, molybdenum, cobalt, and vanadium. This allows them to withstand tremendous cutting forces and retain their shape at high temperatures.
Resistência ao desgaste: They resist abrasion and chipping when sharpened or shaped. This allows tooling made from them to have a long service life before needing replacement.
Heat resistance: Tool steels retain their hardness and strength even when exposed to high temperatures caused by friction during machining and forming operations.
Robustez: While hard for wear resistance, tool steels also have enough toughness and shock resistance to survive the dynamic loads and impacts that tools routinely experience.
Dimensional stability: The materials resist warping or shrinking to hold their precise shapes through repeated heating/cooling cycles.

Tool steels achieve these properties through careful control of their chemistry, as well as proper heat treatment. This balance of hardness, wear resistance, and toughness is what gives finished tool steel components the longevity and performance needed to produce consistent, high-quality workpieces.

A Brief History of Tool Steels

While early civilizations used iron and primitive steels to fashion tools, the history of modern tool steels begins in the 18th century as metallurgy and machining capabilities advanced. Some key developments include:

1740s: English clockmaker Benjamin Huntsman pioneers crucible steel, allowing the production of higher quality tool steels.
1868: Robert Forester Mushet invents R. Mushet’s Special Steel, considered the first true tool steel. It revolutionizes tooling capabilities.
1900s: Advancements in metallurgy and heat treating spawn development of high speed steel. The alloy’s hardness and red hardness allow faster machining.
1915: Tungsten carbide is introduced and eventually helps replace high speed steels with a harder material.
Mid 1900s: Continuous casting makes it possible to produce large uniform billets to create newer grades and types of tool steel.
Today: Tool steels continue advancing, optimizing compositions and processes to create steels with enhanced properties. Modern powder metallurgy techniques can produce tool steels unattainable through conventional practices.

Tool steel has progressed hand-in-hand with manufacturing and machining capabilities. As techniques like metal cutting and die casting demanded better tooling, metallurgists responded with new steel alloys and processing methods to fill the need. Tool steel sits at the leading edge of what’s possible in manufacturing.

How Tool Steels Are Made

Producing tool steels requires precise control over composition and processing:

Alloying

Tool steel starts with a base of iron and carbon. Various alloying elements are then added to impart desired attributes. Common alloys include:

Tungsten: Boosts hardness and toughness for wear resistance. Also improves strength at high temps.
Molybdenum: Increases strength and machinability. Enhances elevated temperature properties.
Vanadium: Fine-grains the microstructure for hardness and fatigue strength. Improves wear resistance.
Cobalt: Adds hot hardness and facilitates heat treating.
Chromium: Improves hardenability, wear/corrosion resistance, and toughness.
Manganese: Combines with sulfur to remove it during manufacturing. Provides hardenability.

Strict control over the types and amounts of alloys produces tool steels to specification. Different compositions target different tooling applications and requirements.

Melting

Tool steels begin by melting iron and other elements in an electric arc furnace or induction furnace. Most grades use an open hearth or electric furnace with varying temperature controls and protective atmospheres.

Fine-tuned melting controls ensure proper alloy dissolution and a uniform composition. Some higher alloy grades require special processes like vacuum induction melting or vacuum arc remelting to avoid contamination.

Shaping

The molten steel is cast into a rough shape, often a billet. The steel can be cast in:

Ingot molds – Produces rectangular or round ingot billets for further processing.
Continuous casters – Forms a continuous strand that is cut into set lengths. Faster than ingot casting.
Electroslag remelting – Remelts ingot or continuous cast tool steel to remove impurities and improve uniformity.

Forjamento further shapes the steel into bar stock, rod, or other forms needed for toolmaking. Steel in billet form may also undergo shaping steps like extrusion or drawing.

Tratamento térmico

Tool steels derive their key properties from proper heat treatment and tempering after initial wrought processing. Heat treatment involves:

Hardening – Heated then quenched at a rapid rate to form martensite and desired hardness.
Tempering – Reheating to a specific temperature to remove brittleness and refine grain size. This fine-tunes hardness, toughness, and ductility.
Recozimento – Extended heating followed by slow cooling to soften the steel for improved machinability.
Stress relieving – Heating to relax residual stresses in the material before final machining.

Tool steel properties directly correlate to following strict thermal processing instructions. Each grade has optimized hardening and tempering procedures.

Categories of Tool Steels

There are thousands of tool steel grades offering different mixes of properties. They can be grouped into seven major categories:

1. Cold work steels

Best suited for punches, dies, and forming tools that shape metal at room temperature. Excellent wear resistance and hardenability. Grades like A2, A6, D2, and D3 (oil hardening steels) are common for blanking, shear blades, tool holders, and press brakes.

2. Shock resisting steels

Have high toughness and compressive strength for impact loads. Used for chisels, claw bars, percussive tools. S1, S5, and S7 grades (chrome-moly shock steels) are typical choices.

3. Hot work steels

Retain hardness and resist thermal fatigue at high temperatures up to 1000°F (540°C). Used for hot forming, extrusion, and die casting dies. Popular alloys include H11, H12, H13, H19, and H21 (chrome-moly hot work steels).

4. High speed steels

Exhibit hardness and wear resistance even when reaching high temperatures from friction during machining. Allow faster cutting speeds than carbon tool steels. Molybdenum-tungsten M and T series grades are commonly used for cutting tools like drills and saw blades.

5. Mold steels

Feature excellent hardenability for larger cross sections. Polishing and texturing capabilities aid mold details and release. P20 and P30 grades are commonly used. Stainless grades like 420, 440C and PH also make good mold tooling.

6. Water hardening steels

Hardened by quenching in water or brine instead of oil. Used for cutting tools where reaching optimal hardness is more important than toughness. Grades like W1 and W2 contain tungsten and chromium carbides for wear resistance.

7. High carbon, high chromium

Achieve maximum hardness when air cooled instead of quenched. Used for punches, woodworking tools, razor blades. Grades like 52100 and 154CM (bearing steels) exhibit high hardness and compressive strength.

Essa visão geral mostra a diversidade dos tipos de aço para ferramentas. Cada um deles é formulado tendo em mente seu uso final, seja para moldar metal frio em uma matriz progressiva ou para cortar ligas em velocidades incríveis em um torno CNC.

Tool Steel Selection Criteria

A escolha do aço ideal para ferramentas depende de:

Condições de serviço

Quais são as temperaturas, tensões e desgaste que o ferramental enfrentará? É necessária alta dureza vermelha? Haverá cargas de impacto? Isso ajuda a restringir os graus adequados.

Precisão da peça

Quanta precisão e acabamento de superfície são necessários na peça de trabalho? Tolerâncias mais rígidas e acabamentos mais finos exigem ferramentas dimensionalmente estáveis.

Volume de produção

A produção de menor volume pode utilizar ferramentas mais lentas, porém mais resistentes. Volumes elevados exigem vida útil máxima da ferramenta e tempo de atividade antes da necessidade de substituição.

Custos comparativos

O aço é apenas um componente. Considere os custos gerais de usinagem, tratamento térmico, processamento, manutenção e vida útil da ferramenta durante a produção.

Disponibilidade

A seleção de um estoque de barras prontamente disponível pode evitar longos prazos de entrega. Os graus processados personalizados podem exigir a fusão e o forjamento de tarugos especialmente encomendados.

Familiaridade

A utilização de aços para ferramentas conhecidos reduz a curva de aprendizado. Mas as novas classes podem superar os padrões de uma oficina. Testar novas ligas em aplicações de menor risco aumenta a experiência.

O equilíbrio cuidadoso desses fatores resulta na combinação ideal entre o aço para ferramentas e a aplicação.

Innovating with Tool Steels

O avanço da tecnologia de aço para ferramentas ocorre em duas frentes: desenvolvimento de ligas superiores e refinamento das técnicas de produção:

Novas ligas de aço

Os metalúrgicos continuam formulando ligas de aço para ferramentas com propriedades aprimoradas. Algumas áreas de foco:

Melhoria da resistência ao calor para acelerar as velocidades de usinagem e a produtividade
Aumento da dureza para maior vida útil da ferramenta e bordas de corte mais afiadas
Otimização da resistência para resistir a interrupções e abusos pesados
Aumento da resistência à corrosão para moldagem e formação de materiais reativos
Redução de ligas específicas como o cobalto, para controlar os custos dos materiais
Microligas com elementos como vanádio e nióbio para refinar a estrutura de grãos do aço para aumentar a resistência
Metalurgia do pó utiliza pós metálicos finos para permitir composições de alta liga impossíveis por meio da metalurgia de lingotes. O processo PM também cria microestruturas ultra-uniformes.

Processos de produção

O refinamento da forma como os aços para ferramentas são fabricados também produz classes aprimoradas. Técnicas como:

Processamento a vácuo para reduzir as impurezas e identificar as adições de ligas
Electroslag remelting para remover inclusões e melhorar a homogeneidade
Refusão secundária de lingotes para aumentar a uniformidade em seções transversais maiores
Tratamentos de envelhecimento direto para otimizar a resistência e a ductilidade
Modelagem por computador de taxas de resfriamento e microestruturas ajuda a aperfeiçoar o tratamento térmico para aços específicos para ferramentas

Os produtores de aço ferramenta continuam aperfeiçoando os métodos de fusão, fundição, modelagem e tratamento térmico. Isso eleva a qualidade e os recursos do aço a cada geração.

Cutting-Edge Tool Steel Applications

Os aços-ferramenta permitem aplicações de modelagem e usinagem que antes não eram possíveis. Alguns exemplos na vanguarda:

Aeroespacial

Os motores de aeronaves operam sob calor e estresse extremos. As novas superligas à base de níquel e os revestimentos de revestimento duro permitem que os componentes dos motores a jato suportem temperaturas mais altas e durem mais tempo entre as revisões.

Automotivo

Os fabricantes de automóveis exigem melhorias nos processos e materiais mais leves. Os aços para ferramentas moldam peças mais leves de alumínio e fibra de carbono e produzem componentes mais rapidamente por meio de usinagem de alta velocidade.

Eletrônicos de consumo

A moldagem de recursos minúsculos e angulares em capas de smartphones e tablets requer moldes de aço para ferramentas altamente polidos com detalhes precisos. As tolerâncias podem ser de até 5 mícrons.

Médico

Ferramentas e instrumentos cirúrgicos delicados feitos de aços inoxidáveis 420 e 440C garantem a modelagem e o corte precisos de ossos, tecidos e materiais corporais.

Fundição sob pressão

A fundição sob pressão de zinco, alumínio e magnésio exige ferramentas que possam suportar o metal fundido e, ao mesmo tempo, produzir milhões de peças fundidas complexas e de alta tolerância. O H13 é uma opção popular de aço para matrizes.

Energia

A perfuração de quilômetros de profundidade para explorar as reservas de petróleo e gás natural exige brocas especiais que empregam ligas de aço para ferramentas com alto teor de cobalto e insertos de carboneto de tungstênio. Os aços suportam calor e cargas compressivas enormes.

Esses exemplos demonstram como o aço para ferramentas está na base de muitos dos principais feitos de fabricação. Sem os aços para ferramentas produzindo as brocas, os moldes, as matrizes e os implementos de corte, esses processos seriam impossíveis. À medida que os aços para ferramentas são aprimorados, eles permitem ampliar ainda mais os limites.

The Future of Tool Steels

O avanço da tecnologia de aço para ferramentas abrirá novas fronteiras nas capacidades de fabricação. Algumas possibilidades no horizonte:

Usinagem na borda

Novas ligas e revestimentos de aço para ferramentas aumentarão ainda mais as velocidades de corte e lidarão com parâmetros de usinagem mais agressivos. Isso pode permitir a usinagem em alta velocidade de metais mais resistentes, como aço inoxidável e titânio.

Manufatura aditiva

As ligas de aço para ferramentas de metalurgia do pó podem permitir a impressão 3D de componentes de ferramentas acabados com qualidades superiores. Geometrias complexas de ferramentas que não podem ser obtidas por meio de usinagem podem ser possíveis.

Ferramentas nanoestruturadas e de gradiente

Aços para ferramentas com granulação nanométrica e gradientes de composição poderiam otimizar as propriedades do aço exatamente onde necessário em uma ferramenta. Isso pode resultar em menos elementos de liga necessários para reduzir os custos.

Inteligência de ferramentas

A incorporação de sensores nas ferramentas pode permitir o monitoramento em tempo real da integridade da ferramenta e da qualidade da peça durante a produção. Isso abre possibilidades para a manutenção preditiva e a usinagem adaptativa.

Modelagem de qualquer material

Ferramentas mais robustas poderiam expandir os materiais que podem ser usinados ou moldados com precisão. Tudo, desde compósitos e borrachas até vidro e cerâmica, pode se tornar um material viável para peças de trabalho.

Os aços para ferramentas estão em uma posição privilegiada para viabilizar os avanços emergentes na fabricação. O futuro parece promissor para alavancar ainda mais esses metais indispensáveis.

Principais conclusões sobre Tool Steels

Os aços para ferramentas são inestimáveis na fabricação:

Propriedades exclusivas, como dureza, resistência ao desgaste e estabilidade dimensional, permitem que eles sejam moldados em ferramentas.
O controle meticuloso da liga e da produção produz tipos de aço para ferramentas otimizados para diferentes aplicações.
As categorias são adaptadas para aplicações de trabalho a frio, trabalho a quente, corte em alta velocidade e moldagem.
A seleção cuidadosa considera as condições de serviço, as necessidades de precisão, o volume de produção, os custos e a disponibilidade.
O desenvolvimento de ligas superiores e o aperfeiçoamento dos métodos de processamento continuam melhorando o desempenho do aço para ferramentas.
Ferramentas e matrizes de última geração feitas de aços para ferramentas possibilitam milagres emergentes na fabricação.
Os avanços prometem usinagem em velocidades inexploradas, ferramentas impressas em 3D, metais nanoestruturados, componentes inteligentes e recursos de materiais expandidos.
Os aços para ferramentas continuarão sendo essenciais para ampliar os limites das possibilidades de fabricação.

As propriedades exclusivas do aço para ferramentas fazem dele um material mágico para os fabricantes de ferramentas. Esse metal versátil está pronto para ajudar os fabricantes a moldar o futuro. Ao descobrir o funcionamento interno do aço para ferramentas, obtemos uma visão de como ele constrói o mundo moderno ao nosso redor. O aço para ferramentas realmente está na vanguarda da inovação.

PERGUNTAS FREQUENTES

What are tool steels?

Ferramenta aços referem-se a uma variedade de ligas de aço projetadas especificamente para uso em ferramentas e matrizes de fabricação, inclusive ferramentas de corte, moldes e matrizes para moldar outros materiais. Eles são projetados para suportar as forças, as temperaturas e o desgaste extremos encontrados durante a usinagem, a moldagem, a estampagem e outros trabalhos de fabricação. As principais qualidades incluem dureza, resistência ao desgaste, tenacidade e estabilidade dimensional.

How is tool steel made?

Os aços para ferramentas começam com uma base de ferro e carbono. Elementos de liga como tungstênio, cromo, molibdênio, vanádio e cobalto são adicionados para conferir as propriedades desejadas. O aço é derretido e fundido em tarugos ou lingotes e, em seguida, forjado em barras ou outros formatos. As etapas de tratamento térmico, como têmpera e revenimento, conferem a dureza, a resistência e a microestrutura que dão aos aços para ferramentas suas qualidades exclusivas.

What are the main types of tool steels?

Algumas categorias comuns incluem:

Aços para trabalho a frio - Para corte, perfuração, dobra e cisalhamento em temperatura ambiente. (A2, D2, D3)
Aços para trabalho a quente - Retêm a dureza em altas temperaturas para fundição sob pressão e conformação a quente. (H13, H21)
Aços de alta velocidade - Dureza para ferramentas de corte e usinagem em altas velocidades. (M2, M4)
Aços para moldes - Otimizados para usinagem de cavidades de moldes e resistência à corrosão. (P20, 420 inoxidável)
Aços resistentes a choques - Suportam cargas de impacto. (S7)
Aços para endurecimento por água - Maximizam a dureza. (W1, W2)
Aços com alto teor de carbono/alto teor de cromo - Extrema dureza quando resfriados a ar. (52100)

How are tool steels used in manufacturing?

Os aços para ferramentas são usados para criar todos os tipos de ferramentas:

Ferramentas de corte - brocas, machos, fresas, lâminas de serra
Matrizes - Para estampagem, corte, perfuração, dobra, formação
Moldes - Para fundição, moldagem por injeção, forjamento, moldagem de vidro
Calibradores, gabaritos, acessórios - Para segurar e medir peças
Matrizes de extrusão e trefilação - Para criar fios, barras e tubos
Rolos - Para moldar, dobrar e formar chapas e placas de metal

How are tool steels selected for an application?

Os fatores importantes na seleção de aços para ferramentas incluem:

Temperaturas operacionais, tensões e mecanismos de desgaste
Requisitos de precisão dimensional e acabamento de superfície