Vida util de moldes

Vida util de moldes

(Parte 1 de 4)

Shun Yoshida (1)

Carlos Humberto Sartori (2) Antonio Carlos Arruda (3)

Resumo

Este trabalho apresenta uma análise das causas principais da redução na vida útil de moldes e matrizes de injeção sob pressão de alumínio. Através de uma análise cuidadosa das principais variáveis que afetam a vida útil deste tipo de ferramenta, este trabalho demonstra novas opções de tratamentos térmicos e superficiais (TF-1 Plus, IONIT sem camada branca e Processo OXY) e recomendações de projeto e utilização a partir observação e análise sistemática do processo “Câmara Fria” de injeção sob pressão de alumínio.

Palavras chave: fundição sob pressão de alumínio, ferramentas, TF-1 PLUS, IONIT e Processo OXY.

(1) Engenheiro Metalurgista, Membro da ABM, Coordenador da Célula de Tratamentos Térmicos de Aços Ferramenta da Brasimet Com. Ind. S/A. (2) Engenheiro Metalurgista, Mestrando em Engenharia de Materiais pela EPUSP, Membro da ABM, Engenheiro de Aplicação da Brasimet Com. Ind. S/A. (3) Mestre em Engenharia Elétrica, Membro da ABM, Coordenador da Célula Nitretações da Brasimet Com. Ind. S/A.

1-) INTRODUÇÃO

O processo de injeção sob pressão de alumínio, “Processo Câmara Fria”, é, dentre os métodos industriais de transformação de metais, um dos mais severos processos, no que se refere à solicitação sobre o ferramental. Elevados esforços mecânicos, aliados às altas temperaturas envolvidas, e ainda, o ataque químico produzido pelo alumínio fundido sobre a superfície da ferramenta, sem falar na complexidade geométrica das peças produzidas, constituem extrema solicitação, exigindo ferramentas de alta performance, tanto em vida útil quanto em estabilidade. Um outro fator que torna o ferramental utilizado por este segmento industrial particularmente importante é o custo, sempre contado em milhares de dólares, substancialmente superior a outros processos igualmente críticos, como, por exemplo, o forjamento a quente. A figura 1 ilustra alguns dos fatores a serem considerados quando se fala em custo do ferramental.

Fig.1: O “ICEBERG” de custos de uma ferramenta. (UDDEHOLM) (3)

A ponta visível do “Iceberg” representa os custos da confecção da ferramenta divididos em:

• custos de fabricação (usinagem, projeto): ~ 85%

• custo do aço ferramenta: ~10%

• custos dos tratamentos térmicos: ~5%.

A ponta submersa representa os custos durante a utilização da ferramenta. Note-se a desproporção entre os dois grupos. Um breve raciocínio, em torno da figura leva à conclusão de que pequenas economias feitas na confecção da ferramenta aumentarão o volume da parte submersa, ao extremo de inviabilizar o processo.

Assim, baseado neste raciocínio, talvez fosse mais correto rebatizar a ponta visível do “Iceberg” de “INVESTIMENTO”, ao invés de “CUSTO”, uma vez que pequenas despesas adicionais na confecção da ferramenta levarão, certamente, a drásticas reduções no volume submerso, reduzindo, globalmente, os custos.

Particularmente no que se refere a tratamentos térmicos, note-se que a sua contribuição é extremamente pequena na composição do custo total. Dados tomados em diversas situações práticas mostram que o custo do tratamento térmico situa-se algo em torno de 3,0 a 5,0% do custo de confecção da ferramenta, portanto, uma fração ainda menor, se considerado o custo total. Esta parcela é desproporcionalmente pequena, face ao enorme efeito causado na vida útil final da ferramenta, incluindo-se aí os benefícios tais como maior número de peças produzidas e menor manutenção, o que justifica investir nessa parcela.

O presente trabalho apresenta uma proposta de tratamento térmico que visa aumentar a vida útil deste tipo de ferramental, desenvolvido à partir da observação e análise sistemática do processo “Câmara Fria” de injeção sob pressão de alumínio.

2-) CAUSAS DE PERDA OU BAIXO RENDIMENTO DE FERRAMENTAS 2.1 - Trincas do tipo catastrófico.

São defeitos, em geral de grande extensão, profundos e que causam vazamentos (nos canais de refrigeração), além de produzir peças defeituosas. A causa principal está na baixa tenacidade do aço ferramenta. Sua correção, quando possível, não é simples, exigindo remoção da parte afetada, soldagem extensa (o que, por si só, já compromete a vida útil) e/ou montagem de insertos.

2.2 - Trincas Térmicas (“Heat Checking”)

É, de longe, a principal causa de baixo rendimento em ferramentas de injeção de alumínio. Corresponde a uma fina, pouco profunda rede de trincas na superfície da ferramenta. A figura 2 ilustra uma cavidade totalmente atacada por este defeito.

Fig. 2: Trincas térmicas em matriz para injeção de alumínio (UDDEHOLM) (3).

Este defeito é produzido devido às tensões de fadiga induzidas por gradiente térmico e pressões de operação. As trincas, em geral menores que 0.03 m de comprimento, evoluem pelos contornos de grão na superfície da matriz. Segundo Roberts (7), as diferenças de temperatura entre superfície e interior da ferramenta (a profundidades da ordem de 1.6 m), podem atingir centenas de °C, num intervalo de tempo muito curto, durante o trabalho. Estes gradientes térmicos causam expansão não uniforme e as tensões envolvidas podem atingir até 70 kgf/mm²; a repetição dos ciclos aquecimento/resfriamento, agravadas por oxidação superficial, nucleia trincas nos contornos de grãos da superfície da ferramenta. A propagação destas trincas causa a “separação” do grão do corpo da ferramenta, deixando “pits” na superfície. Estes “pits” atuam como pontos para nucleação de novas trinca. Com o crescimento destas novas trincas, os “pits” tornam-se progressivamente mais largos e profundos, espalhando-se pela superfície até encontrar os “pits” adjacentes. Esta seqüência de eventos resulta no conhecido aspecto de trincas a quente. A figura 3 ilustra a seqüência através de micrografias.

Fig. 3: (a) seção transversal mostrando o estágio inicial da trinca a quente, na qual o grão está quase separado da superfície da ferramenta pela trinca ao longo do contorno de grão (250x, 2% nital); (b) “pit” deixado pelo arrancamento de grão (idem); (c) aspecto das trincas a quente na superfície de uma matriz de injeção de alumínio. Trincas intercalando-se foram formadas pelo crescimento das trincas individuais (7x, sem ataque); (d) seção transversal através da trinca a quente (250x, 2%nital).

2.3 - Erosão

Durante a fundição, sob certas condições, o alumínio líquido pode reagir quimicamente com o aço do molde, causando dissolução e conseqüente erosão da superfície. As regiões da matriz que sofrem o primeiro contato com o alumínio líquido, portanto à máxima temperatura e máxima velocidade, são as preferencialmente atacadas por este defeito, usualmente causando “agarramento” da peça na extração e ficando, caracteristicamente, manchadas com alumínio.

3-) ANÁLISE DAS CAUSAS E POSSÍVEIS SOLUÇÕES De um modo geral, as causas listadas estão relacionadas com:

• tipo do aço utilizado na confecção do molde; • tipo do tratamento térmico;

• tipo do tratamento de superfície;

• projeto;

• utilização do molde.

3.1 - Tipo do Aço

O aço utilizado para esta aplicação deve conter, principalmente os seguintes requisitos: a-) retenção das propriedades mecânicas a alta temperatura; b-) menor diferença possível de propriedades entre superfície e núcleo (no bloco); c-) isotropia de propriedades, ou seja, a menor diferença possível de propriedades entre a direção longitudinal e transversal do bloco; d-) resistência a trincas térmicas. Estes requisitos são integralmente cumpridos pelo aço “AISI H13 PREMIUM QUALITY”, conforme especificado pelo NADCA - NORTH AMERICAN DIE CAST ASSOCIATION, na recomendação NADCA 207-90 de nov/90. Particularmente nos ítens (b) e (c) que, pelas características extremamente severas do processo de injeção, tornam-se mandatórias quanto à vida útil do ferramental, na comparação com o H13 convencional o PREMIUM apresenta enormes diferenças.

A tabela 1 mostra as diferenças entre o H13 Premium e o convencional, no ensaio de impacto, em corpos de prova tirados na transversal e na longitudinal do bloco original.

DIREÇÃO DO CORPO DE PROVA H13 CONVENCIONAL (J) H13 PREMIUM (J)

Tab.1: Resultados de ensaio de impacto, realizado em corpos de prova sem entalhes (7x10x55 m) (Villares Metals).

(L) - longitudinal; (T) - transversal. Aço convencional = AISI H13; Premium: VH13 ISOMAX (Villares)

Observe-se que, além do Premium apresentar valores substancialmente maiores do que o convencional, as diferenças entre longitudinal e transversal são bem menores. Esta característica, aliada à maior limpeza do aço, torna-o muito superior, no que se refere à vida útil dos moldes.

3.2 - Tipo do Tratamento Térmico

Estes moldes são, geralmente, temperados e revenidos para a faixa de 4/46 ou 46/48 HRC. A têmpera deve ser tal que garanta a homogeneidade de propriedades máxima entre o núcleo e a superfície, além de uma velocidade de resfriamento rápida e suficiente para evitar excessiva precipitação de carbonetos em contorno de grão, o que causaria queda na dureza e tenacidade finais. O melhor ciclo de tratamento térmico para o aço AISI H13 PREMIUM QUALITY, é como segue, na figura 4.

P1 P2

1030°C

Resfriamento 50°C/min. mínimo entre 1000° e 800°C revenidos - mínimo triplo, sempre acima de 540°C

Fig. 4: Ciclo ideal para têmpera do AISI H13 Premium (BRASIMET).

Em termos de equipamento, a têmpera a vácuo apresenta algumas vantagens em relação ao banho de sais ou têmpera em óleo, tais como: menores distorções dimensionais, necessidade de menor sobremetal, homogeneidade de aquecimento/resfriamento, melhor reprodutibilidade de processo e ausência de manuseio durante o tratamento. Algumas literaturas questionam a velocidade de resfriamento como insuficiente para garantir boa homogeneidade microestrutural. Este problema não existe para fornos com capacidade de resfriamento com gás sob pressão superior a 3,0 bar.

3.3 - Tipo de tratamento de superfície

Como visto anteriormente, trincas térmicas são essencialmente fenômenos de superfície. A figura 5 mostra a influência da dureza superficial no surgimento de trincas a quente.

No. de tiros (x 10 )

Fig. 5: Influência da dureza no número de tiros na injeção do alumínio.

Aço: W302 ISOBLOC (BOEHLER) (4) A ferramenta foi perdida por: (1) principalmente trincas térmicas; (2) trincas térmicas leves e erosão; (3) e (4) principalmente erosão. (fonte: BOEHLER EDELSTAHL GMBH)

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