Usine o D2 e o A2 no estado recozido (~200–250 HB) a 100–180 m/min com metal duro revestido, depois trate termicamente para 58–62 HRC e acabe apenas as características críticas por fresamento duro ou retificação — isso encaminha a remoção pesada de estoque para a condição de corte macio, barata e rápida. Usine o P20 diretamente no estado pré-endurecido (~28–34 HRC, ~300 HB) a 80–150 m/min porque ele chega pronto para cortar e dispensa por completo a distorção do tratamento térmico, razão pela qual domina as cavidades de moldes de injeção de plástico.
Os aços para ferramentas e matrizes não são um único problema de usinagem — são vários, e a variável dominante é a condição de tratamento térmico em que a peça chega. A mesma barra de D2 é um corte rotineiro de 220 HB quando recozida e um serviço de PCBN-ou-retífica a 62 HRC após o endurecimento. Escolher quando cortar em relação a quando endurecer é a decisão isolada que controla o tempo de ciclo, o custo de ferramenta e a acurácia final em um componente de matriz ou molde. Este guia situa-se entre o guia de usinagem de aço endurecido, que cobre o acabamento >45 HRC em geral, e o torneamento duro vs retificação, que cobre a escolha do processo de acabamento. Para o mapa de materiais mais amplo entre todas as famílias de liga, consulte o guia completo de usinagem por material.
Referência Rápida de Usinagem de Aço para Ferramentas e Matrizes
| Problema / Objetivo | Ação Principal | Impacto Esperado |
|---|---|---|
| Remoção pesada de estoque em cavidade de D2/A2 | Desbaste no estado recozido (~200–250 HB) antes do tratamento térmico | MRR 2–4× maior vs cortar o mesmo aço endurecido acima de 58 HRC |
| Cavidade de molde com mínimo trabalho pós-TT | Use P20 pré-endurecido (~30 HRC); usine direto, sem tratamento térmico | Elimina a correção de distorção do tratamento térmico; economiza 1–2 etapas de processo |
| Distorção após endurecer o D2 | Deixe 0.1–0.3 mm de estoque de acabamento; endureça ao ar, depois fresa/retifique o acabamento | Mantém a tolerância final em ±5–15 µm vs deriva não corrigida de ±50–100 µm |
| Vida curta do metal duro fresando aço para matriz a 58–62 HRC | Mude para revestimento AlCrN, baixe fz para 0.02–0.05 mm/dente | A vida da ferramenta pode aumentar 1.5–2.5× vs TiAlN em setups rígidos acima de 52 HRC |
| Lascamento fresando D2 recozido (12% Cr) | Reduza ae para 30–50% D, use trajetória trocoidal | Desloca o desgaste do lascamento para o desgaste abrasivo de flanco; vida mais previsível |
| Matriz de trabalho a quente H13 a 44–50 HRC | Fresa-duro direto com TiAlN/AlCrN a 60–90 m/min | Evita um ciclo de reendurecimento; aceitável para acabamento de cavidade 3D |
Por Que o Estado de Tratamento Térmico Decide Toda a Estratégia
A usinabilidade de um aço para ferramentas muda por um fator de aproximadamente 3–5× entre suas condições recozida e totalmente endurecida, razão pela qual a sequência macio-usinar-depois-endurecer permanece a rota padrão para trabalhos de matriz e punção de alta remoção. O D2 recozido a 200–250 HB corta como um aço ligado tenaz; o mesmo D2 a 60–62 HRC tem dureza de massa que se aproxima da dureza à temperatura ambiente do metal duro WC-Co sem revestimento (≈1.600–1.800 HV) e exige PCBN ou retificação para qualquer coisa além de um acabamento leve.
Três propriedades orientam a diferença. Primeiro, a dureza de massa: acima de aproximadamente 45 HRC, o desgaste abrasivo de flanco acelera acentuadamente porque as fases de carboneto da peça — carbonetos de cromo M₇C₃ no D2 a ~1.800 HV, M₂C/M₆C em aços de classe de alta velocidade — são mais duras que o aglutinante da ferramenta de metal duro. Segundo, a fração volumétrica de carboneto: o D2 carrega ~12% Cr e ~1.5% C, formando uma rede densa de carbonetos duros mesmo quando recozido, de modo que é mais abrasivo que o P20 ou o H13 a igual dureza. Terceiro, a distorção no endurecimento: todo aço se move dimensionalmente durante a têmpera, de modo que acabar antes de endurecer arrisca perder a tolerância que você cortou.
A regra prática é empurrar a remoção pesada de material para a condição de corte mais barata e reservar o corte caro no estado endurecido apenas para as características que precisam manter a tolerância final. As classes que endurecem ao ar (D2, A2) distorcem menos que as classes que endurecem em óleo ou água, razão pela qual toleram a usinagem macia quase em medida final seguida de uma pequena sobremedida de acabamento após o tratamento térmico. O A2 (5% Cr, ~1% C) é o primo de menor teor de carboneto do D2 e é frequentemente escolhido especificamente porque sua resposta dimensional mais uniforme durante o endurecimento simplifica o fluxo macio-depois-acabar.
A Decisão Central: Macio-Usinar + Tratamento Térmico vs Fresar-Duro Direto
✦ Macio-Usinar depois Endurecer Melhor Para
- Alta remoção de estoque (cavidades profundas, blanks de punção) onde o MRR importa mais
- Classes de endurecimento ao ar D2 e A2 que se movem previsivelmente na têmpera
- Dureza final de 58–62 HRC exigida em toda a peça
- Oficinas com capacidade de tratamento térmico interna ou terceirizada confiável
- Peças onde 0.1–0.3 mm de estoque de acabamento pode ser deixado para a limpeza pós-TT
✦ Fresar-Duro / Usinar Direto Melhor Para
- Cavidades de molde de plástico em P20 pré-endurecido (~30 HRC) — sem nenhum tratamento térmico
- Ferramental de trabalho a quente H13 usado a 44–50 HRC (reendurecimento não exigido)
- Mudanças tardias de projeto ou retrabalho em um bloco já endurecido
- Baixas quantidades de peças onde o prazo de um ciclo de tratamento térmico domina o cronograma
- Acabamento de cavidade 3D onde reusinar um bloco endurecido supera recortar macio
A usinagem macia seguida do endurecimento é a rota de menor custo sempre que a peça precisa de dureza plena acima de 58 HRC e a geometria permite uma pequena sobremedida de acabamento, porque o desbaste a 200–250 HB remove material 2–4× mais rápido que cortar o mesmo aço a 60 HRC. A penalidade é a distorção que o ciclo de endurecimento introduz: um bloco de D2 pode se mover 0.05–0.2 mm dependendo da espessura da seção e da severidade da têmpera, de modo que o fluxo de trabalho precisa deixar 0.1–0.3 mm de estoque de acabamento nas superfícies críticas para serem limpas após o tratamento térmico por fresamento duro, retificação ou EDM.
O P20 pré-endurecido é usinado diretamente na condição fornecida de 28–34 HRC porque é entregue pré-revenido especificamente para dispensar o ciclo de endurecer-e-corrigir, que é a razão pela qual se tornou o padrão para bases e cavidades de moldes de injeção de plástico. Comprar o P20 pré-endurecido troca uma redução modesta na dureza máxima (raramente é usado acima de ~36 HRC) pela eliminação de uma etapa inteira de processo de correção de distorção — uma troca que vale a pena quando o molde vê plástico, não cargas de conformação de metal.
O H13 ocupa o meio-termo. Como aço de matriz de trabalho a quente, é frequentemente usado a 44–52 HRC, e muitas cavidades de H13 são fresadas a duro diretamente nessa dureza com metal duro revestido em vez de macio-usinadas e reendurecidas, porque a dureza de trabalho já está ao alcance de fresas de topo de TiAlN/AlCrN.
Boa Prática
Deixe 0.1–0.3 mm de estoque de acabamento — não zero — em toda superfície que carrega uma tolerância final ao macio-usinar uma peça destinada ao endurecimento. A têmpera do endurecimento move a geometria, e a única forma de recuperar a tolerância é ter material restante para cortar. Dimensionar a sobremedida conforme a espessura da seção (seções mais espessas se movem mais) é mais confiável que um valor genérico.
Velocidades e Avanços por Aço e Condição de Tratamento Térmico
A tabela abaixo dá pontos de partida de torneamento/fresamento por classe e condição. Todos os valores pressupõem setups rígidos, metal duro revestido exceto onde o PCBN é indicado, e desgaste uniforme de flanco como modo de desgaste dominante — trate-os como pontos de partida de calibração, não garantias, e ajuste ao critério de desgaste da ISO 3685 observado na sua máquina.
| Aço | Condição | Dureza | Ferramenta | Velocidade (m/min) | Avanço (mm/rev ou mm/dente) |
|---|---|---|---|---|---|
| D2 | Recozido | 200–250 HB | Metal duro TiAlN | 100–150 | 0.10–0.25 mm/rev |
| D2 | Endurecido | 58–62 HRC | PCBN de baixo CBN (torn.) | 80–130 | 0.05–0.12 mm/rev |
| A2 | Recozido | 200–230 HB | Metal duro TiAlN | 120–180 | 0.10–0.25 mm/rev |
| A2 | Endurecido | 57–60 HRC | PCBN / metal duro AlCrN (fres.) | 60–110 | 0.03–0.08 mm/dente |
| P20 | Pré-endurecido | 28–34 HRC | Metal duro TiAlN | 80–150 | 0.08–0.20 mm/dente |
| H13 | Recozido | ~200 HB | Metal duro TiAlN | 110–170 | 0.10–0.25 mm/rev |
| H13 | Endurecido | 44–52 HRC | Metal duro TiAlN/AlCrN (fres.) | 60–90 | 0.04–0.10 mm/dente |
As velocidades caem com o aumento da dureza porque a temperatura de corte e o desgaste abrasivo ambos sobem. Para o detalhe de acabamento >45 HRC, cruze a referência com o guia de usinagem de aço endurecido. Para o cálculo de SFM/carga de cavaco a partir desses pontos de partida, consulte o guia de parâmetros de usinagem de aço.
O P20 pré-endurecido trabalha mais devagar que o D2 recozido apesar do maior teor de carboneto do D2 porque a dureza de massa de ~30 HRC do P20 eleva as forças de corte e a temperatura de interface em relação a um recozido de 220 HB, ilustrando que a condição, e não apenas a química da liga, define a velocidade alcançável. O D2 recozido é mais abrasivo por unidade de volume, mas sua menor dureza de massa permite maior velocidade de corte; é por isso que a rota macio-usinar é tão produtiva mesmo em uma classe de alto teor de carboneto como o D2.
O revestimento de TiAlN é preferido para o macio-usinar de aço para ferramentas recozido porque sua dureza de 3.000–3.500 HV e sua resistência à oxidação até ~800°C lidam com as temperaturas moderadas do corte de aço do grupo P, enquanto o AlCrN é preferido quando a peça excede ~52 HRC porque sua resistência à oxidação até aproximadamente 1.100°C proporciona margem térmica nas maiores temperaturas de interface do fresamento duro. Conforme a classificação de materiais de corte duros da ISO 513, as classes de metal duro do grupo P miram aços de cavaco longo, como os aços para ferramentas recozidos, que é o grupo de aplicação no qual essas recomendações de macio-usinar se enquadram.
Controle de Distorção e a Sobremedida de Acabamento
Evite Acabar Antes do Tratamento Térmico
Não acabe-usine uma peça à tolerância final antes de endurecê-la. A têmpera pode mover dimensões 0.05–0.2 mm dependendo da classe, da espessura da seção e da severidade da têmpera — acabar primeiro joga fora a tolerância que você cortou. Deixe 0.1–0.3 mm de estoque nas superfícies toleranciadas e remova-o após o endurecimento por fresamento duro, retificação ou EDM.
O comportamento de distorção varia acentuadamente conforme o mecanismo de endurecimento. As classes que endurecem ao ar (D2, A2) tipicamente distorcem menos que as classes que endurecem em óleo ou água porque o resfriamento mais lento e uniforme reduz os gradientes térmicos que impulsionam o empenamento, que é a principal razão pela qual os ferramenteiros as favorecem para peças que precisam manter geometria apertada após o tratamento térmico. Mesmo assim, um bloco de D2 endurecido ao ar de seção desigual pode se mover 0.05–0.2 mm, de modo que a sobremedida de acabamento é inegociável nas características toleranciadas.
Uma forma simples de dimensionar a sobremedida: escale-a à maior variação de espessura de seção na peça, porque seções mais espessas resfriam mais devagar e se movem mais. Um bloco quase uniforme pode precisar de apenas 0.1 mm; uma peça com razão de seção de 3:1 é mais segura a 0.25–0.3 mm. A remoção simétrica de estoque — desbastando os dois lados de uma chapa de modo uniforme antes do endurecimento — reduz o empenamento por tensão residual de modo mais eficaz que remover todo o estoque de uma face, uma prática emprestada do trabalho de precisão com chapas de matriz.
O método de acabamento após o endurecimento então segue a decisão de torneamento duro vs retificação: fresamento duro ou torneamento PCBN para características contínuas a Ra ≥ 0.4 µm, retificação para Ra ≤ 0.2 µm ou onde a camada branca deve permanecer fina. O EDM é o terceiro caminho para detalhes finos e profundos de cavidade que nem o fresamento nem a retificação alcançam.
Notas Específicas por Classe: D2, H13, P20, A2
| Classe | Tipo | Carga de carboneto | Rota macio-usinar | Dureza de uso típica |
|---|---|---|---|---|
| D2 | Trabalho a frio, endurecimento ao ar | Alta (12% Cr, M₇C₃) | Fortemente preferida | 58–62 HRC |
| A2 | Trabalho a frio, endurecimento ao ar | Média (5% Cr) | Preferida (baixa distorção) | 57–60 HRC |
| P20 | Aço para molde, pré-endurecido | Baixa–média | Usinado direto (pré-end.) | 28–34 HRC |
| H13 | Trabalho a quente | Baixa–média | Qualquer rota | 44–52 HRC |
O aço para ferramentas D2 é o mais abrasivo dessas quatro classes porque seus ~12% de cromo e ~1.5% de carbono formam uma rede densa de carbonetos de cromo M₇C₃ a ~1.800 HV, a fase de carboneto mais dura comum em aços para ferramentas, de modo que mesmo o D2 recozido recompensa o engajamento radial reduzido (30–50% D) e o fresamento trocoidal para manter o modo de desgaste abrasivo em vez de lascamento. Após o endurecimento para 58–62 HRC, o acabamento do D2 é claramente um serviço de torneamento PCBN ou retificação — consulte o guia de usinagem de aço endurecido para o detalhe de parâmetros >45 HRC.
O aço para ferramentas de trabalho a quente H13 é comumente usinado diretamente em sua dureza de trabalho de 44–52 HRC porque o reendurecimento adiciona um ciclo de distorção sem mudar a dureza em serviço de que a matriz realmente precisa, tornando o fresamento duro direto com metal duro TiAlN/AlCrN o padrão prático para o trabalho de cavidade e macho do H13. O aço para ferramentas de endurecimento ao ar A2 é frequentemente selecionado em vez do D2 quando a estabilidade dimensional através do tratamento térmico importa mais que a máxima resistência à abrasão, porque seu menor volume de carboneto dá uma resposta de têmpera mais uniforme. O P20 pré-endurecido é usinado em sua condição como fornecida de 28–34 HRC para moldes de injeção de plástico porque é entregue pré-revenido para eliminar por completo o ciclo de endurecer-e-corrigir — a razão definidora pela qual domina a produção de bases e cavidades de molde.
As velocidades de corte para aços-ferramenta devem ser selecionadas conforme o estado de dureza real, não conforme o grau nominal: a mesma liga abrange uma faixa de usinabilidade de 3 para 1, do recozido ao temperado.
— Machining Data HandbookResumo
Encaminhe a remoção pesada para a condição macia, reserve a usinagem dura para características de tolerância final, e usine o P20 pré-endurecido direto.
A decisão de usinagem de ferramentas e matrizes é orientada pelo estado de tratamento térmico, não apenas pela liga: desbaste o D2 e o A2 recozidos (200–250 HB) a 100–180 m/min com metal duro TiAlN, deixe 0.1–0.3 mm de estoque de acabamento, endureça para 58–62 HRC, depois acabe as características críticas por fresamento duro, torneamento PCBN ou retificação. Usine o P20 pré-endurecido diretamente a ~30 HRC porque ele dispensa o tratamento térmico, e fresa-duro o H13 em sua dureza de trabalho de 44–52 HRC em vez de adicionar um ciclo de reendurecimento. Combine o revestimento à condição — TiAlN para o corte macio do grupo P, AlCrN acima de ~52 HRC, PCBN para o torneamento contínuo acima de 58 HRC — e dimensione a sobremedida de acabamento conforme a espessura da seção porque as classes de endurecimento ao ar ainda se movem 0.05–0.2 mm na têmpera.
Fontes
- ISO 513:2012 — Classification and application of hard cutting materials for metal removal (P/M/K application groups for steel cutting)
- ISO 3685:1993 — Tool-life testing with single-point turning tools (VB_B = 0.3 mm flank wear criterion)
- Sandvik Coromant — Tool steel and hardened steel machining guidelines (speed/feed by hardness condition)
- Kennametal — Hard Part Turning and PCBN grade selection
- Machinery's Handbook, 31st Edition (tool steel classifications and machinability data)
Devo usinar aço para ferramentas antes ou depois do tratamento térmico?
Usine a maior parte do material antes do tratamento térmico no estado recozido, onde os aços para ferramentas cortam 2–4× mais rápido, depois deixe 0.1–0.3 mm de estoque de acabamento e limpe as características críticas após o endurecimento. As exceções são o P20 pré-endurecido, usinado diretamente a ~30 HRC, e as matrizes de H13 usadas a 44–52 HRC, que são frequentemente fresadas a duro direto.
Por que o P20 é vendido pré-endurecido em vez de recozido?
O P20 é fornecido pré-endurecido para 28–34 HRC para que os moldes de injeção de plástico possam ser usinados diretamente sem um ciclo de tratamento térmico, eliminando a correção de distorção da têmpera. Nessa dureza, ele corta com metal duro revestido a 80–150 m/min, e raramente é usado acima de ~36 HRC porque as cargas de moldagem de plástico não o exigem.
Que classe de metal duro e revestimento devo usar para o D2 endurecido a 60 HRC?
Para o torneamento contínuo de D2 a 58–62 HRC, use PCBN de baixo teor de CBN (45–70% CBN, aglutinante TiC) a 80–130 m/min. Para o fresamento de aço para matriz endurecido acima de 52 HRC, o metal duro revestido com AlCrN é preferido porque sua resistência à oxidação alcança aproximadamente 1.100°C, contra cerca de 800°C do TiAlN.
Quanta distorção devo esperar ao endurecer o D2 ou o A2?
O D2 e o A2 de endurecimento ao ar tipicamente se movem 0.05–0.2 mm durante o endurecimento, dependendo da espessura da seção e da severidade da têmpera, com seções mais espessas e mais assimétricas se movendo mais. É por isso que você deixa 0.1–0.3 mm de estoque de acabamento nas superfícies toleranciadas e o remove após o tratamento térmico por retificação, fresamento duro ou EDM.
Posso fresar-duro o H13 sem reendurecê-lo?
Sim — as matrizes de trabalho a quente H13 são comumente fresadas a duro diretamente em sua dureza de trabalho de 44–52 HRC com metal duro revestido de TiAlN ou AlCrN a 60–90 m/min e 0.04–0.10 mm/dente. O reendurecimento adicionaria um ciclo de distorção sem mudar a dureza em serviço de que a matriz realmente precisa.
