INJEÇÃO DE ALUMÍNIO p.3

INJEÇÃO DE ALUMÍNIO p.3

(Parte 1 de 2)

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)

Da figura vem que, o surgimento de trincas térmicas é retardado para durezas mais altas. Entretanto, aumentar a dureza na têmpera NÃO é solução pois, nesse caso, haveria queda na tenacidade e a ferramenta seria perdida por trinca catastrófica até antes do surgimento das trincas térmicas. A melhor solução para o caso é promover um endurecimento superficial, sendo a melhor opção, a NITRETAÇÃO. Nitretação consiste num processo termoquímico de enriquecimento da superfície do aço com nitrogênio, visando a formação de camada rica em nitretos, de natureza cerâmica, alta dureza (> 900HV), baixo coeficiente de atrito, e alta resistência a desgaste, além de, por ser o tratamento conduzido a baixa temperatura, alterar muito pouco as dimensões da ferramenta. Porém, é necessário muito cuidado, pois há diversos tipos de nitretações. Na nitretação convencional a camada é muito espessa, o que, ao contrário do que se pensa, é extremamente prejudicial. A figura 6 ilustra, esquematicamente, a comparação de propriedades entre duas peças com camadas, uma fina e outra grossa, submetidas à mesma deformação.

Fig.6: Peças com camadas diferentes submetidas à mesma deflexão (s).(1)

Note-se, na fig. 6(b), o nível de tensões de flexão mais elevado, favorecendo o trincamento. Além disso, camadas mais espessas geram trincas maiores, favorecendo a propagação destas, mesmo submetidas a esforços pequenos. As microestruturas da fig. 7 mostram camadas produzidas por nitretação convencional (a gás e em banho de sais).

camada branca rede de nitretos

Fig. 7: Fotomicrografias das camadas nitretadas.

(a) Nitretação Gasosa Convencional (b) Banho de Sais Convencional (TF-1)

(BRASIMET) (500X, NITAL)

Note nas fotos, uma primeira camada mais clara, chamada camada branca, composta basicamente de nitretos, e logo abaixo dela, a zona de difusão (formando redes de nitretos). Estas fases são extremamente frágeis e ACELERAM o mecanismo de formação de trincas térmicas. É óbvio, pelas fotos que a nitretação gasosa convencional é TOTALMENTE inadequada, pois estas fases frágeis comparecem em grande quantidade. Para contornar esses problemas, novas tecnologias de nitretação foram desenvolvidas. Podemos destacar o processo TF-1 Plus em banho de sais e a nitretação a plasma pelo Processo IONIT. Nesses processos, a camada branca de nitretos e as fases frágeis produzidas nas nitretações convencionais são eliminadas. O processo TF-1 PLUS é uma complementação ao consagrado TF-1, e a microestrutura resultante é ilustrada na fig. 8.

Fig.8: Camada nitretada produzida pelo processo TF1- Plus (BRASIMET) Observe-se a quase total eliminação das fases frágeis.

Testes conduzidos em buchas de injeção, comparando-se a condição, Nitretação Gasosa Convencional X TF-1 Plus, resultaram vida útil três vezes superior com aplicação do novo tratamento, conforme a fig. 9.

número de tiros

Fig. 9: Resultados de teste comparativo entre buchas de injeção de alumínio tratadas com nitretação convencional (1), e tratadas com TF-1 PLUS (2). (BRASIMET).

Na nitretação a plasma pelo processo IONIT, o aço é disposto em um forno a vácuo, onde o plasma atua como meio de transporte do nitrogênio atômico para se combinar com o ferro na superfície do aço. Neste processo, as peças a serem nitretadas funcionam como pólo negativo (catodo), e a parede do forno exerce a função de pólo positivo (anodo). São injetados nitrogênio, primeiro, e depois uma mistura de hidrogênio e nitrogênio gasosos no forno. É aplicada uma diferença de potencial entre a peça e o forno, formando-se assim o plasma. O estágio inicial de plasma formado apenas do hidrogênio, bombardeia a peça promovendo aquecimento, limpeza, despassivação e a ativação da superfície (“sputtering”). A adição de nitrogênio na atmosfera do forno a vácuo libera nitrogênio neutro e íons de nitrogênio de carga positiva, que adquirem energia cinética e chocam-se com a superfície da peça, sendo adquiridos pela mesma. As variáveis controladoras do processo são a temperatura, a pressão e a composição da mistura gasosa, além do tempo de nitretação. Há inúmeras vantagens em utilizar a nitretação iônica em relação à gasosa ou líquida, dentre ela podemos destacar:

- controle da espessura e composição da camada de difusão em ε e/ou γ, dependendo da aplicação da peça; - controle de espessura da camada branca, podendo produzir camadas nitretadas com ausência de camada branca; - nitretar em maiores faixas de temperaturas(380-650º C);

- controlar o potencial de nitretação;

Fig.10 – Reator para nitretação a plasma pelo Processo IONIT (BRASIMET)

Fig.1: Camada nitretada produzida pelo processo IONIT sem camada branca (BRASIMET)

A tabela 2 indica as propriedades do TF-1 PLUS e do IONIT PLUS, em relação à nitretação convencional (gasosa e TF-1).

(Parte 1 de 2)

Comentários