Em geral os aços ferramenta são basicamente aços de médio e alto teor de carbono com adições de elementos específicos em diferentes porcentagens para que sejam obtidas características especiais. O carbono aumenta a dureza do aço ferramenta, melhorando a resistência ao corte e ao desgaste. Outros elementos são adicionados para aumentar a tenacidade ou resistência mecânica.
A tabela abaixo mostra de forma sucinta a influência dos principais elementos de liga nas propriedades do aço.
Influência dos Elementos de Liga nas Propriedades Mecânicas do Aço
Os efeitos de cada um dos elementos de liga é detalhado a seguir:
Manganês
Todos os aços ferramentas comerciais contém manganês – 0,3 a 0,8% - para reduzir óxidos e evitar a fragilização a quente ocasionada pelo sulfeto de ferro. O Manganês aumenta a temperabilidade e reduz a temperatura de austenitização. Maiores teores de manganês – na faixa de 1,2 a 1,6 % - permitem a têmpera com resfriamento mais brando. Aços ferramenta podem conter até 2% de manganês, com 0,8 a 0,9 % de Carbono. Em alguns aços liga (especialmente em aços austeníticos) o manganês substitui parcialmente o níquel com a finalidade de redução de custo de produção.
Níquel
O Níquel e o manganês reduzem a temperatura eutetóide. A temperatura de transição é reduzida progressivamente com o aumento do teor de níquel (aproximadamente 10 °C para 1% de níquel), mas a redução da temperatura de transformação no resfriamento é maior e irregular. A temperatura de transformação é mostrada na figura para um aço de baixo carbono (0,2%). A mudança ocorre neste caso para um teor de níquel de 8%. Já um aço com 12% de níquel, a transformação começa abaixo de 300 °C no resfriamento.
Cromo
O Cromo aumenta a temperabilidade do aço e contribui para a resistência ao desgaste e dureza. Quando o cromo excede 11% em aços de baixo carbono, um filme inerte é formado na superfície, criando resistência ao ataque por reagentes oxidantes. Percentagens mais altas de cromo são encontradas em aços resistentes a altas temperaturas.
Aços com cromo são mais fáceis de usinar do que aços com níquel de resistência mecânica similar.
Os aços com maiores teores de cromo são suscetíveis à fragilização quando resfriados lentamente na faixa de 550/4500C, a partir da temperatura de têmpera. Os aços com cromo são usados quando durezas elevadas são requeridas, como em matrizes, rolamentos, limas e ferramentas.
Molibdênio
O molibdênio pode formar carbonetos complexos no ferro alfa e no ferro gama como (FeMo)6C, Fe21Mo2C6, e Mo2C na presença de carbono. O efeito do molibdênio na forma da curva TTT é similar ao do cromo. O Molibdênio aumenta a temperabilidade e reduz as temperaturas de têmpera. Também ajuda a aumentar a dureza ao rubro e a resistência ao desgaste. O molibdênio é um dos constituintes de alguns aços rápidos, aços resistentes a corrosão e altas temperaturas.
Vanádio
O vanádio é um formador de carbonetos (forma VC) e tem ação benéfica nas propriedades mecânicas de aços tratados termicamente, especialmente na presença de outros elementos. Ele precipita no revenido na faixa de 500 - 600 0 e pode induzir endurecimento secundário. O vanádio em pequenas quantidades aumenta a tenacidade pela redução do tamanho de grão. Acima de 1% confere alta resistência ao desgaste especialmente para aços rápidos. Pequenas quantidades de vanádio em combinação com cromo e tungstênio aumentam a dureza ao rubro.
Tungstênio
O tungstênio forma carbonetos WC e W2C, mas na presença de ferro forma Fe3W3C ou Fe4W2C. Quando em solução o tungstênio retarda a transformação austenita / ferrita. Ele refina o tamanho de grão e produz menor tendência a descarbonetação em serviço.
O Tungstênio aumenta a resistência ao desgaste e confere ao aço características de dureza ao rubro. Para um percentual em torno de 1,5% a resistência ao desgaste aumenta moderadamente. Em percentagem de 4%, em combinação com alto carbono, aumenta fortemente a resistência ao desgaste. Em grandes percentagens o tungstênio combinado com cromo aumenta a dureza ao rubro.
Silício
O Silício dissolve na ferrita, atuando como elemento endurecedor. Aumenta a temperatura de transformação e reduz a variação de volume gama-alfa.
Outros Elementos
O Cobalto tem alta solubilidade em ferro alfa e gama mas uma fraca tendência a formar carbeto. Ele reduz a temperabilidade mas mantém a dureza durante o revenimento. Ele é usado em aços para turbinas e como ligante em metais duros. Ele também intensifica a influência de elementos mais importantes em aços especiais.
O Boro tem sido usado em teores de 0,003 a 0,005% em aços previamente acalmados de grão fino, com o objetivo de aumentar a temperabilidade. Em conjunto com molibdênio, o boro forma um grupo de aços bainíticos de alta resistência à tração. O boro é utilizado em algumas ligas para revestimento de superfícies.