Considerações Técnicas para a Arte
de Injeção de Alumínio
Materiais e propriedades para os moldes de injeção de alumínio
1 Introdução
A fabricação de peças em alumínio através da técnica de injeção sob pressão
utiliza moldes construídos em aços da classe “trabalho a quente” com especiais
propriedades para resistir às severas condições de trabalho. A técnica de injeção
busca compreender a melhor relação entre as propriedades dos materiais utilizados
para o molde de aço e a capacidade de atender a uma adequada vida útil deste, ou
seja, suportar adequada, e elevada, quantidade de peças injetadas sem a destruição
da superfície do molde com impacto na qualidade do produto injetado.
Um dos defeitos que surge na operação industrial de fundição de alumínio sob
pressão é o desenvolvimento do fenômeno de desgaste da superfície do molde de
aço (classe trabalho a quente) associado à fadiga térmica (“heat checking”) que
consiste no surgimento de fissuras superficiais de reduzida extensão, estreitas, mas
que crescem com a seqüência de trabalho. Esse tipo de defeito está relacionado a
uma repetição intensiva de ciclos térmicos de aquecimento e resfriamento da
ferramenta, inevitável e constitui, conjuntamente com a perda de abrasividade, a
principal limitação da vida útil das ferramentas de trabalho a quente nas operações
de forjamento, extrusão e injeção sob pressão. Embora não possa ser evitado, esse
defeito pode ser minimizado, ou retardado o seu surgimento através de algumas
medidas preventivas:
•
Preaquecimento da ferramenta com processos adequados (indução, ou forno)
antes da utilização.
•
Alivio de tensão da ferramenta depois de cumprir algo em torno de 10% da
vida útil
•
Aços de melhor qualidade / propriedades
•
Adequada tenacidade e dutilidade
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As recomendações acima são validas no pressuposto de que aço utilizado está
adequado à aplicação e com o tratamento térmico conduzido corretamente.
O desenvolvimento prematuro de trincas por fadiga térmica tem relação com a
tenacidade e a dutilidade do aço do molde. Os aços desses moldes requerem não
somente adequadas propriedades mecânicas como resistência e dureza, mas
também elevada dutilidade. Dutilidade pode ser definida como a capacidade do aço
acumular deformação plástica antes da fratura [1].
Essa propriedade pode ser
observada no ensaio mecânico de um corpo de prova de aço que submetido ao
esforço de tração provoca uma redução da área central deste (“empescoçamento”).
Quanto maior a redução de área maior a dutilidade do aço. Os aços da classe
trabalho a quente com adequado nível de dutilidade, dureza e tenacidade,
corroboram para uma maior vida do molde devido a capacidade de deter o processo
de inicio e crescimento de trinca por fadiga térmica [1]. A tenacidade é a capacidade
de o aço absorver energia na região plástica, ou seja, mede a energia necessária
para romper o material [2]
Uma propriedade importante a se considerar para o aço do molde é a
“tenacidade à fratura” que mede a resistência a propagação de uma trinca aguda [5].
Quando o molde está em trabalho, a zona mais quente (sub-superfície) no fim de
uma trinca já surgida resiste mais à propagação se o material apresentar alta
tenacidade à fratura, podendo se propagar mais rápido somente se a temperatura e
tensões aumentarem.
Muitos fatores afetam a vida em fadiga da superfície do molde de aço no
processo de fundição de alumínio sob pressão e os principais seriam:
•
Temperatura do molde,
•
Propriedades mecânicas do aço,
•
Temperatura de fusão do alumínio;
Os fabricantes de aços investem permanentemente em tecnologias de fundição
para se obter aços de elevada pureza – reduzidas microinclusões e impurezas de
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enxofre e fósforo, por exemplo – homogêneo (microestrutura) e isotropia para
algumas propriedades mecânicas na aplicação de injeção de alumínio sob pressão
visando o melhor desempenho da vida útil do molde. O tratamento térmico é uma
operação industrial fundamental nessa cadeia produtiva, pois a correta execução
deste potencializa as propriedades mecânicas do aço.
Este texto não esgotaria o assunto de materiais e propriedades para o molde de
aço utilizado no processo industrial de injeção de alumínio, mas contribuiria com
algumas considerações técnicas para a melhor compreensão destes.
A Tabela 1 apresenta as principais marcas de aços da classe trabalho a quente
disponível no mercado que poderiam ser utilizados nos moldes para fundição de
alumínio. O fabricante de aço pode informar as condições de fabricação – ESR,
VAR, Forjamento, etc...-, tipos e nível de impurezas.
Tabela 1 – Marcas de aços da classe trabalho a quente utilizados para injeção de Al
Aço
H13 (ASTM A681)
1
VH13ISO
2
VH13IM
3
TENAX 300IM
4
W302 ISO-DISC/BLOC
5
W400 VMR
6
W403 VMR
7
THYROTHERM 2344
8
THYROTHERM E38K
9
DIEVAR
10
ORVAR SUP
11
ADC3
12
SKYLOS 2343
Legenda:
Composição Química
Mo
V
C
Cr
0,32-0,45
0,40
0,40
0,36
0,39
0,36
0,38
0,40
0,35
4,75-5,50
5,20
5,20
5,00
5,20
5,00
5,00
5,30
5,00
0,39
0,35
0,34-0,42
5,2
5,00
4,8-5,2
1,10-1,75
0,80-1,20
1,50
0,90
1,50
0,90
1,40
0,40
1,40
0,95
1,40
0,45
2,00
0,65
1,40
1,00
1,35
0,45
Não informa
1,4
0,90
1,3
0,40
1,2-1,5
0,45
Outros
Si (0,80-1,25
Si = 1,00
Si = 1,00
Si = 1,10
Si = 1,00
Mn = 0,2-0,5
1, 2, 3 – VILLARES METALS
4, 5, 6 – BOEHLER
7 e 8 – SCHMOLZ-BICKENBACH
9 e 10 – UDDEHOLM
11 – AUBERT DUVAL
12 - LUCCHINI
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2 – Propriedades Mecânicas
2.1 Resistência ao amolecimento pelo calor
O aço do molde precisa apresentar resistência ao inicio da trinca térmica por
deformação plástica em alta temperatura (resistência ao amolecimento, ou ao
revenimento). Em outras palavras, é a capacidade do aço em sustentar a dureza
original em um tempo longo a elevadas temperaturas [3].
A resistência à propagação da trinca a quente está associada ao limite de
escoamento e a tenacidade.
Em altas temperaturas é fundamental que o aço
mantenha a resistência mecânica e não sofra queda na dureza. Os aços da classe
trabalho a quente apresentam, em função da composição química, diferentes
comportamentos para a dureza em altas temperatura, sendo interessante o aço do
molde, dependendo da especial situação de injeção, aquele que mostrar maior
resistência a desta propriedade.
É importante uma consulta aos catálogos dos
fabricantes de aços, ou literaturas técnicas especificas e identificar os valores dessa
propriedade para os vários tipos de aços da aplicação a quente.
2.2 - Dutilidade
Essa propriedade é fundamental para o bom desempenho do aço do molde.
Ductilidade pode ser definida como a capacidade do aço acumular deformação
plástica antes da fratura [1]. Um maior nível de dutilidade do aço corrobora para
estender a vida útil devido deter o inicio e crescimento da trinca por fadiga térmica.
A homogeneidade de microestrutura, “isotropia” (igual propriedade nas três direções)
e a pureza do aço corroboram para a máxima dutilidade. Os processos de
fabricação do aço que utilizam tecnologias como a refusão (“eletroslag”), VAR
(refusão a vácuo), refusão “eletroslag com argônio”, e, na seqüência, tratamento
térmico de homogeneização do lingote e adequado forjamento deste contribuem
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para a obtenção da melhor dutilidade. Os fornecedores do aço para o molde podem
fornecer esse histórico de fabricação.
2.3 - Tenacidade
A tenacidade para o aço-ferramenta que é submetido a tensões dinâmicas é a
capacidade de aliviar os “picos de tensões” por deformações plásticas localizadas,
prevenindo à formação de trincas.
Tenacidade é um termo genérico para a
resistência do aço-ferramenta a uma falha, ou nucleação de fratura. É a propriedade
de o aço absorver energia até a fratura. Essa energia pode ser medida, sendo a
área sob a curva “tensao-deformação” de um corpo de prova de aço no ensaio de
tração.
A propriedade tenacidade é incrementada com a microestrutura uniforme,
carbonetos finos esferoidizados, redução de segregações e a menor presença de
inclusões de óxidos, sulfetos, fósforos e carbonetos. Para o aço-ferramenta do
molde de injeção este deve apresentar a melhor combinação de resistência
mecânica e tenacidade.
2.4 - Resistência à erosão por ataque da liga de alumínio
O alumínio fundido contribui para uma elevada erosão da superfície do molde
de aço e, em função disto, este deve apresentar boa resistência a este tipo
desgaste. Para muitas situações de injeção somente o tratamento termoquímico de
nitretação e oxidação podem cumprir esse objetivo devido ao incremento de dureza
da superfície, redução do coeficiente de atrito e proteção contra a reação química do
alumínio e a superfície do aço. Entretanto, outros fatores contribuem para esse tipo
de desgaste, tais como a temperatura do alumínio fundido, pressão de injeção,
lubrificante / desmoldante insuficiente, tempo de injeção, posicionamento dos canais
de refrigeração (mal projetados), dureza do aço inadequada, localização do “gate”
velocidade de injeção e, finalmente, aumento da temperatura devido alta fricção.
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2 Mecanismos de Falha
1.1 – Fadiga térmica (trincas térmicas)
Os aços utilizados nos moldes de injeção de aluminio estão sujeitos a tensões
cíclicas induzidas por gradientes térmicos e pressão de operação que podem causar
fraturas na superficie [2]. A fadiga térmica, associada ao comportamento de fluência
do aço, pode ser definida como o fenômeno de surgimento de trincas de pequena
extensão (inferior a 0,030 mm), geradas por variações cíclicas de temperatura na
superfície do aço [4]. A formação de trincas por fadiga térmica é retardada em aços
com elevada tensão de escoamento, tenacidade e dutilidade em altas temperaturas,
microestrutura homogênea obtida da têmpera e revenimento e alta condutividade
térmica [2,4].
A temperatura da superfície é o principal parâmetro que influencia a vida útil
da matriz de aço devido desenvolver tensões térmicas (gradiente de temperaturas).
Uma diferença de temperatura na superfície de +- 20 ºC pode diminuir a vida útil da
matriz entre 30 e 50% [4]. Essa temperatura condiciona o surgimento e a
propagação das trincas no contorno de grão da superfície que se soma a oxidação.
Por exemplo, as Tabelas 1 e 2 mostram os resultados de medições de temperaturas
realizadas na superfície do aço, com dureza de 44 a 47 HRC, para a quantidade de
ciclos (tiros) obtidos quando se tem inicio ao surgimento de trincas de profundidades
de 0,15 e 10,7 mm. Esses resultados confirmam que quanto maior a temperatura de
superfície menor a quantidade de ciclos (ou tiros) para uma dada extensão de
profundidade de trinca.
Tabela 1 – Profundidade de trinca 0,15 mm [4]
Número de ciclos
400
2500
7000
Temperatura na superfície [ºC]
690
620
550
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Tabela 2 – Profundidade de trinca 10,7 mm [4]
Número de ciclos
3000
20.000
200.000
1.000.000
Temperatura na superfície [ºC]
690
670
620
550
1.2 – Desgaste
Desgaste é a perda progressiva de substância de uma superfície de um corpo
que ocorre como resultado do movimento relativo a superfície. A superfície do aço
do molde de injeção de alumínio pode apresentar desgaste associado à adesão
(solda) e erosão (corrosão) em decorrência de:
a) temperatura do alumínio muito alta;
b) posicionamento (incorreto) dos canais de refrigeração;
c) ciclo rápido (tempo de injeção);
d) desmoldante insuficiente;
e) temperatura de preaquecimento do molde muito alta;
f) desenho e localização do “gate” (entrada) de maneira não favorável ao
melhor escoamento do metal liquido;
g) acabamento superficial do molde de baixa qualidade.
O desgaste associado ao desenvolvimento de trinca de fadiga térmica,
geralmente, tem relação com:
a) temperatura desfavorável da superfície da cavidade;
b) posicionamento e dimensão incorreta do canal de refrigeração;
c) tipo e temperatura do meio de resfriamento;
d) temperatura da liga fundida;
e) temperatura de preaquecimento do molde;
f) velocidade da liga fundida muito elevada na cavidade;
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g) impacto vertical da liga fundida na cavidade, machos e cantos próximos do
“gate” ;
h) ciclo de injeção (rápido, ou curto).
Todos os mecanismos citados acima podem estar presentes sendo, um, ou
outro em maior evidência em função do correto, e melhor, projeto de construção do
molde, tipo de material e condições de injeção do alumínio. As seguintes
recomendações seriam interessantes obedecer para uma maior vida útil da matriz:
•
Seleção do aço
Etapa fundamental na construção de um molde. O aço deve estar
corretamente selecionado para se ajustar às condições de utilização, caso contrário
todo o esforço realizado nas várias etapas dessa cadeia produtiva pode
comprometer o bom desempenho do molde de injeção. Recomendável consultar os
fabricantes de aços que podem oferecer diferentes produtos.
•
Temperatura do metal fundido
O alumínio fundido em temperatura alta contribui para um re-revenimento na
superfície do aço do molde e incrementa o desgaste por erosão e adesão (solda),
assim como nucleação precoce de trincas térmicas. O controle dessa operação é de
fundamental importância, pois o alumínio fundido não poderia alcançar temperaturas
elevadas.
•
Dimensão da matriz
À medida que a espessura da ferramenta aumenta é interessante selecionar
aços de maior temperabilidade (maior dureza / homogeneidade à maior
profundidade).
•
Quantidade de peças a produzir (ciclo de injeção)
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O ciclo de injeção do alumínio deve ser considerado, pois isto está
relacionado com o tempo de contato do produto de alumínio na superfície da matriz.
Quanto maior o tempo de contato maior a temperatura na superfície, favorecendo o
surgimento precoce de trincas térmicas em função da maior amplitude da
temperatura de superfície e na sub-superficie do aço do molde.
•
Projeto do molde
Aspectos da construção do molde para uma maior vida útil:
a) evitar grandes variações de massa e cantos vivos;
b) canal de refrigeração de forma a garantir máxima uniformidade de
temperatura do molde;
c) atender às recomendações dos manuais para distancias de canais,
cavidades e “gate”;
d) acabamento da superfície (menor rugosidade).
•
Usinagem fina / eletroerosão
A realização da usinagem fina depois do tratamento térmico (acabamento
para as dimensões finais) por “high speed”, ou eletroerosão, pode causar a
formação de áreas com “camada branca” (martensita não-revenida), ou de elevada
tensão residual e, em função disto, recomendável, ou mesmo mandatório, a
realização de um tratamento térmico de alivio de tensão. A não realização do alivio
de tensão pode comprometer seriamente a vida útil do molde.
•
Condições de utilização do molde
A vida útil do molde e, por conseguinte, o bom desempenho está
condicionado à sua correta utilização, conforme a seguir:
a) indispensável preaquecimento antes do inicio das operações (em torno de
300 ºC);
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b) recomendável alivio de tensão depois de concluída a injeção de 5%,
aproximadamente, da quantidade total prevista de peças;
c) utilização de lubrificante / desmoldante conforme recomendação de
fabricante (contatar fabricante para utilização correta);
d) alivio de tensão intermediário (quando possível é saudável);
e) manter molde aquecido (150 ºC, estufa) se a parada de produção é
prolongada;
f) manutenção com solda (a quente, mas ver recomendação de fornecedor de
eletrodo de solda)
•
Modificação da superfície
Para algumas situações de injeção do produto (menor, ou maior, ciclo) o
tratamento de nitretação e, ou, oxidação, pode ser recomendável em função do
incremento de dureza na superfície, resistência mecânica e redução do coeficiente
de atrito. A camada nitretada de difusão do aço trabalho a quente para fundição de
alumínio sob pressão, na maioria, deve apresentar profundidade da ordem de 0,040
a 0,070 mm e camada branca de 0,000 a 0,002 mm, máximo.
•
“Try Out”
Essa etapa de “injeção-teste” não dispensa os cuidados de preaquecimento para
o molde. Recomendável realizar um alivio de tensões depois dessa operação que
poderia estar combinado com a nitretação, mas não sem antes a realização de um
adequado e cuidadoso polimento da superfície.
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Bibliografia
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[1] Influence of aging on microstructure and toughness of die casting die steels. G.
Cornacchia; M. Gelfi; M.Faccoli, R. Roberti
[2] - Tool steels. E. Essadiqi, CANMET – MTL, Materials Technology laboratory and G.
Totten
[3] Principios de Ciencias dos Materiais – Van Vlack, L.H.. Ed.1970
[3] Uddeholm – Informe técnico “Açoes para a prevenção de falhas prematuras em fundição
sob pressão”. Horst Lindow.
[4] Fatigue of Metals – Dieter, G.E. – Mechanical Metallurgy – Ed.McGraw-Hill, 1988
[5] Propriedade Mecânica dos Metais – Unicam, Prof.Itamar Ferreira, 2001
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